Опыты птолемея по преломлению света. Простые опыты по моделированию преломления света в атмосфере Опыты по физике преломление света

Греческий астроном Клавдий Птолемей (около 130 г. н. э.) – автор замечательной книги, которая в течение почти 15 столетий служила основным учебником по астрономии. Однако кроме астрономического учебника Птолемей написал ещё книгу «Оптика», в которой изложил теорию зрения, теорию плоских и сферических зеркал и исследование явления преломления света. С явлением преломления света Птолемей столкнулся, наблюдая звёзды. Он заметил, что луч света, переходя из одной среды в другую, «ломается». Поэтому звёздный луч, проходя через земную атмосферу, доходит до поверхности Земли не по прямой, а по кривой линии, то есть происходит рефракция. Искривление хода луча происходит из-за того, что плотность воздуха меняется с высотой.

Чтобы изучить закон преломления, Птолемей провёл следующий эксперимент. Он взял круг и укрепил на оси линейки l1 и l2 так, чтобы они могли свободно вращаться вокруг неё (см. рисунок). Птолемей погружал этот круг в воду до диаметра АВ и, поворачивая нижнюю линейку, добивался того, чтобы линейки лежали для глаза на одной прямой (если смотреть вдоль верхней линейки). После этого он вынимал круг из воды и сравнивал углы падения α и преломления β. Он измерял углы с точностью до 0,5°. Числа, полученные Птолемеем, представлены в таблице.

Птолемей не нашёл «формулы» взаимосвязи для этих двух рядов чисел. Однако если определить синусы этих углов, то окажется, что отношение синусов выражается практически одним и тем же числом, даже при таком грубом измерении углов, к которому прибегал Птолемей.

Из-за рефракции света в спокойной атмосфере кажущееся положение звезд на небосклоне относительно горизонта

1) выше действительного положения

2) ниже действительного положения

3) сдвинуто в ту или иную сторону по вертикали относительно действительного положения

4) совпадает с действительным положением

Конец формы

Начало формы

В спокойной атмосфере наблюдают положение звёзд, не находящихся на перпендикуляре к поверхности Земли в той точке, где находится наблюдатель. Каково видимое положение звёзд – выше или ниже их действительного положения относительно горизонта? Ответ поясните.

Конец формы

Начало формы

Под рефракцией в тексте понимается явление

1) изменения направления распространения светового луча из-за отражения на границе атмосферы

2) изменения направления распространения светового луча из-за преломления в атмосфере Земли

3) поглощения света при его распространении в атмосфере Земли

4) огибания световым лучом препятствий и тем самым отклонения о прямолинейного распространения

Конец формы

Начало формы

Какой из приведённых ниже выводов противоречит опытам Птолемея?

1) угол преломления меньше угла падения при переходе луча из воздуха в воду

2) с увеличением угла падения линейно увеличивается угол преломления

3) отношение синуса угла падения к синусу угла преломления не меняется

4) синус угла преломления линейно зависит от синуса угла падения

Конец формы

Конец формы

Конец формы

Фотолюминесценция

Некоторые вещества при освещении электромагнитным излучением сами начинают светиться. Такое свечение, или люминесценция, отличается важной особенностью: свет люминесценции имеет иной спектральный состав, чем свет, вызвавший свечение. Наблюдения показывают, что свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем возбуждающий свет. Например, если пучок фиолетового света направить на колбочку с раствором флюоресцеина, то освещённая жидкость начинает ярко люминесцировать зелёно-жёлтым светом.

Некоторые тела сохраняют способность светиться некоторое время после того, как освещение их прекратилось. Такое послесвечение может иметь различную длительность: от долей секунды до многих часов. Принято называть свечение, прекращающееся с освещением, флюоресценцией, а свечение, имеющее заметную длительность, фосфоресценцией.

Фосфоресцирующие кристаллические порошки используются для покрытия специальных экранов, сохраняющих своё свечение две-три минуты после освещения. Такие экраны светятся и под действием рентгеновских лучей.

Очень важное применение нашли фосфоресцирующие порошки при изготовлении ламп дневного света. В газоразрядных лампах, наполненных парами ртути, при прохождении электрического тока возникает ультрафиолетовое излучение. Советский физик С.И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность таких ламп специально изготовленным фосфоресцирующим составом, дающим при облучении ультрафиолетом видимый свет. Подбирая состав фосфоресцирующего вещества, можно получить спектральный состав излучаемого света, максимально приближённый к спектральному составу дневного света.

Явление люминесценции характеризуется крайне высокой чувствительностью: достаточно иногда 10 – – 10 г светящегося вещества, например в растворе, чтобы обнаружить это вещество по характерному свечению. Это свойство лежит в основе люминесцентного анализа, который позволяет обнаружить ничтожно малые примеси и судить о загрязнениях или процессах, приводящих к изменению исходного вещества.

Ткани человека содержат большое количество разнообразных природных флуорофоров, которые имеют различные спектральные области флуоресценции. На рисунке представлены спектры свечения основных флуорофоров биологических тканей и шкала электромагнитных волн.

Согласно приведённым данным пироксидин светится

1) красным светом

2) жёлтым светом

3) зелёным светом

4) фиолетовым светом

Конец формы

Начало формы

Два одинаковых кристалла, имеющих свойство фосфоресцировать в жёлтой части спектра, были предварительно освещены: первый красными лучами, второй синими лучами. Для какого из кристаллов можно будет наблюдать послесвечение? Ответ поясните.

Конец формы

Начало формы

При исследовании пищевых продуктов люминесцентный метод можно использовать для установления порчи и фальсификации продуктов.
В таблице приведены показатели люминесценции жиров.

Цвет люминесценции сливочного масла изменился с жёлто-зелёного на голубой. Это означает, что в сливочное масло могли добавить

1) только маргарин сливочный

2) только маргарин «Экстра»

3) только сало растительное

4) любой из указанных жиров

Конец формы

Альбедо Земли

Температура у поверхности Земли зависит от отражательной способности планеты – альбедо. Альбедо поверхности – это отношение потока энергии отражённых солнечных лучей к потоку энергии падающих на поверхность солнечных лучей, выраженное в процентах или долях единицы. Альбедо Земли в видимой части спектра – около 40%. В отсутствие облаков оно было бы около 15%.

Альбедо зависит от многих факторов: наличия и состояния облачности, изменения ледников, времени года, и, соответственно, от осадков.

В 90-х годах XX века стала очевидна значительная роль аэрозолей – «облаков» мельчайших твёрдых и жидких частиц в атмосфере. При сжигании топлива в воздух попадают газообразные оксиды серы и азота; соединяясь в атмосфере с капельками воды, они образуют серную, азотную кислоты и аммиак, которые превращаются потом в сульфатный и нитратный аэрозоли. Аэрозоли не только отражают солнечный свет, не пропуская его к поверхности Земли. Аэрозольные частицы служат ядрами конденсации атмосферной влаги при образовании облаков и тем самым способствуют увеличению облачности. А это, в свою очередь, уменьшает приток солнечного тепла к земной поверхности.

Прозрачность для солнечных лучей в нижних слоях земной атмосферы зависит также от пожаров. Из-за пожаров в атмосферу поднимается пыль и сажа, которые плотным экраном закрывают Землю и увеличивают альбедо поверхности.

Какие утверждения справедливы?

А. Аэрозоли отражают солнечный свет и, тем самым, способствуют уменьшению альбедо Земли.

Б. Извержения вулканов способствуют увеличению альбедо Земли.

1) только А

2) только Б

3) и А, и Б

4) ни А, ни Б

Конец формы

Начало формы

В таблице приведены некоторые характеристики для планет Солнечной системы – Венеры и Марса. Известно, что альбедо Венеры А 1 = 0,76, а альбедо Марса А 2 = 0,15. Какая из характеристик, главным образом, повлияла на различие в альбедо планет?

1) А 2) Б 3) В 4) Г

Конец формы

Начало формы

Увеличивается или уменьшается альбедо Земли в период извержения вулканов? Ответ поясните.

Конец формы

Начало формы

Под альбедо поверхности понимают

1) общий поток падающих на поверхность Земли солнечных лучей

2) отношение потока энергии отражённого излучения к потоку поглощённого излучения

3) отношение потока энергии отражённого излучения к потоку падающего излучения

4) разность между падающей и отражённой энергией излучения

Конец формы

Изучение спектров

Все нагретые тела излучают электромагнитные волны. Чтобы экспериментально исследовать зависимость интенсивности излучения от длины волны, необходимо:

1) разложить излучение в спектр;

2) измерить распределение энергии в спектре.

Для получения и исследования спектров служат спектральные аппараты – спектрографы. Схема призменного спектрографа представлена на рисунке. Исследуемое излучение поступает сначала в трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом – собирающая линза L 1 . Щель находится в фокусе линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из неё параллельным пучком и падает на призму Р .

Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки разного цвета, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу L 2 . На фокусном расстоянии от этой линзы располагается экран, матовое стекло или фотопластинка. Линза L 2 фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (точнее, узкому спектральному интервалу) соответствует своё изображение в виде цветной полоски. Все эти изображения вместе
и образуют спектр.

Энергия излучения вызывает нагревание тела, поэтому достаточно измерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощённой в единицу времени энергии. В качестве чувствительного элемента можно взять тонкую металлическую пластину, покрытую тонким слоем сажи, и по нагреванию пластины судить об энергии излучения в данной части спектра.

Разложение света в спектр в аппарате, изображённом на рисунке, основано на

1) явлении дисперсии света

2) явлении отражения света

3) явлении поглощения света

4) свойствах тонкой линзы

Конец формы

Начало формы

В устройстве призменного спектрографа линза L 2 (см. рисунок) служит для

1) разложения света в спектр

2) фокусировки лучей определённой частоты в узкую полоску на экране

3) определения интенсивности излучения в различных частях спектра

4) преобразования расходящегося светового пучка в параллельные лучи

Конец формы

Начало формы

Нужно ли металлическую пластину термометра, используемого в спектрографе, покрывать слоем сажи? Ответ поясните.

Конец формы

Начало формы

Михальчук Артём Александрович, Абрамова Валерия Валерьевна, ученики 10 «В» класса МОУ «СОШ №8» г. Саратова

Описание собственных наблюдений некоторых удивительных световых явлений, попытка объяснить их, смоделировать и исследовать их на опыте в условиях школьного кабинета физики.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №8 Волжского района

города Саратова»

Рефракция света в земной атмосфере и обманы зрения

Учебно-исследовательская работа по физике

Александрович

Ученик 10 «В» класса

МОУ «СОШ №8» г. Саратова

Руководитель: учитель физики

Иванова Татьяна Петровна

Саратов 2008 г.

1. Введение……………………………………………………………………… 3
2. Полное внутреннее отражение света……………...………………………... 4
3. «Чёрное зеркало»…………………………………………………………….. 5
4. Отражение от нагретой воды….……………………………………………. 6
5. Распространение света в слоисто-неоднородной среде…………………... 7
6. Астрономическая рефракция……………………………………………….. 8
7. Своеобразие солнечных закатов……………………………………………. 9
8. Земная рефракция…………………………………………………………... 11
9. Моделирование двойного миража………………………………………… 13
10. Заключение………………………………………………………………… 14
11. Список использованной литературы……………………………………... 15

Введение

Чтобы наблюдать многие оптические явления, не обязательно находиться в физической лаборатории, оборудованной дорогостоящими приборами. Жизнь на Земле невозможна без тёплого и светлого прикосновения солнечных лучей. Стоит лишь приглядеться, и рядом с нами обнаружится множество удивительных явлений, связанных со светом.

Глядя в обычное зеркало, можно понять законы отражения. Любуясь закатом Солнца, размышлять о преломлении света. Радуга напоминает о дисперсии, цветные крылья стрекоз – об интерференции.

В некоторых случаях для объяснения оптических явлений не важна природа света, достаточно знать его основные свойства: прямолинейность распространения в однородной среде, законы отражения и преломления, т.е. владеть геометрической оптикой.

Цель данной работы – описать собственные наблюдения некоторых удивительных световых явлений, попытаться объяснить их, смоделировать и исследовать их на опыте в условиях школьного кабинета физики. Были выполнены следующие демонстрации опытов, описанных В.В. Майером в учебных руководствах: полное отражение света, отражение от нагретой воды, искривление светового пучка оптически неоднородной жидкостью и неравномерно нагретым оргстеклом. Проведённые исследования помогли объяснить красивые оптические явления, происходящие со светом на границе раздела оптически однородных сред и в слоисто-неоднородной среде, какой и является земная атмосфера.

Полное внутреннее отражение света

Первое знакомство с полным отражением света в школе происходит, как правило, при известной демонстрации хода луча через полуцилиндр из оргстекла. Преломление света происходит на границе раздела стекло-воздух (n 1 > n 2 ).

Согласно закону преломления, отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой или отношению абсолютных показателей преломления второй и первой сред.

Т.к. n 1 > n 2 , то sin β > sin α и, следовательно, β > α . При увеличении угла падения растут углы отражения и преломления, причём интенсивность отражённого света увеличивается, а преломлённого уменьшается. α 0 , при котором β=π/2, называется предельным углом полного отражения света. При любых углах падения, превышающих предельный, падающий пучок полностью отражается.

«Чёрное зеркало»

Существует целый ряд занимательных и поучительных опытов, исследующих

явление полного отражения света.

Вот один из них. Металлическая пластинка покрывается слоем копоти. Такая поверхность может отражать свет лучше любого зеркала, если её опустить в сосуд с водой. При определённом угле между поверхностью пластинки и направлением наблюдения чёрная поверхность блестит, как зеркало! Можно в этом «чёрном зеркале» получить изображение какого-нибудь предмета. На границе каких сред происходит полное отражение света? Копоть не прозрачна, значит не она участвует в «возврате» луча обратно в воду. Дело в том, что между водой и слоем копоти образуется тонкая воздушная плёнка. Вода не смачивает копоть. Полное отражение света возникает на границе сред вода – воздух. Глядя на пластинку сверху сквозь поверхность воды, мы увидим её блестящей.

Рис. 1

Эффект «Чёрного зеркала»

Но не при любом положении пластинки по отношению к боковой стенке сосуда это можно увидеть, если смотреть не сверху, а сквозь боковую стенку. Ожидаемого полного отражения наблюдать не удаётся, если пластинка параллельна стенке сосуда, т.е. тогда, когда слой воды, отдаляющий нас от воздушной прослойки, является плоскопараллельным.

Поворачивая пластинку вокруг вертикальной оси, можно добиться появления «чёрного зеркала». Объяснение явления в сравнении хода лучей через плоскопараллельный слой воды и через слой воды в виде клина (рис. 1 и 2).

Полное отражение имеет место в том случае, если на границу между водой и воздушной прослойкой, отделяющей воду от чёрной пластинки, свет падает под углами, превышающими предельный. Но таких лучей в первом случае просто нет, а во втором – из-за расширения слоя воды добиться полного отражения света можно даже при α π/2.

Рис. 2 Эффект «Чёрного зеркала» отсутствует

Опыт № 1

«Чёрное зеркало»

Цель. Наблюдение полного отражения света.

Приборы и материалы: стеклянный сосуд, алюминиевая пластина, свеча, вода.

Ход опыта. 1. Закоптить алюминиевую пластину над пламенем свечи.

2. Опустить пластину в сосуд с водой.

3. Наблюдать появление «Чёрного зеркала» поворачивая пластину вокруг вертикальной оси.

Отражение от нагретой воды

Для проведения следующего опыта понадобится большой сосуд с холодной водой, жестяная банка из-под кофе, кипяток. Поверхность банки должна быть тёмной. При быстром заливании в эту банку, закреплённую вертикально в большом сосуде, кипятка, можно увидеть, как поверхность её становится блестящей! Объяснить появления «зеркала» в этом опыте полным отражением света не удастся, т.к. жесть хорошо смачивается водой, в отличие от копоти. Кроме того, появившееся «чёрное зеркало» в предыдущем опыте может сохраняться сколь угодно долго, тогда как в новой ситуации оно само через некоторое время пропадёт. Измерение температуры воды в радиальном направлении к центру большого сосуда показывает, что исчезновение блеска происходит тогда, когда вся толща воды во внешнем сосуде прогреется до примерно одной и той же температуры. Наблюдается же полное отражение лишь при условии, что вода во внешнем сосуде нагрета неравномерно. Вблизи банки с горячей водой её температура наибольшая, а плотность – наименьшая. Следовательно, минимальна и оптическая плотность. Показатель преломления этого слоя воды меньше, чем у холодной воды.

Нет резкой границы между средами с разной оптической плотностью, а значит, нет и отражения в привычном смысле этого слова.

Вода вокруг горячей банки оптически неоднородна с плавным изменением оптической плотности. В такой среде луч света распространяется криволинейно, загибаясь в сторону от меньших значений показателя преломления к большим его значениям (Рис. 3).

Рис. 3 Отражение от нагретой воды

Опыт № 2

Отражение от нагретой воды

Цель. Наблюдение искривления луча света в оптически неоднородной среде.

Приборы и материалы: стеклянный сосуд, жестяная банка из-под кофе, покрашенная матовой чёрной краской, размером: D ~ 6 см, H ~ 12 см, холодная вода, горячая вода (t° ~ 100°С).

Ход опыта. 1. В сосуде с холодной водой закрепить пустую жестяную банку.

2. В жестяную банку залить кипяток.

3. Наблюдать сверху кратковременное появление зеркальной поверхности банки.

Распространение света

в слоисто-неоднородной среде

Слоисто-неоднородными называют такие оптически неоднородные среды, в которых равные значения показателя преломления образуют слои. Рассмотрим самый простой случай, когда показатель преломления среды изменяется только в одном направлении.

А б

Рис. 4

Пусть показатель преломления изменяется снизу вверх. Мысленно разобьём среду на тонкие горизонтальные слои. Луч света меняет своё направление от слоя к слою.

Кроме способа получения слоисто-неоднородной среды, описанной в последнем опыте, можно использовать способ, основанный на явлении диффузии. Готовится насыщенный раствор соли (350 г соли на 1 л воды) в одном сосуде и чистая отстоявшаяся вода в другом. Обе жидкости подкрашиваются хвойным концентратом, фильтруются.

Раствор соли через воронку и шланг осторожно вливается в воду. Граница раздела между ними сначала довольно резкая. Об этом свидетельствует полное отражение луча света от неё. Через некоторое время граница «размазывается», и световой пучок распространяется криволинейно.

В нижней части аквариума находится раствор поваренной соли, имеющий большую оптическую плотность, чем расположенная над ним вода. Показатель преломления убывает непрерывно вдоль оси y. Т.к. n=c/ v , скорость распространения света в верхних слоях жидкости больше, чем в нижних. Плоская волновая поверхность внутри жидкости будет
Рис. 5 поворачиваться, занимая последовательно положения 1, 2, 3, 4, 5 и т.д. Вверху свет будет распространяться быстрее, чем внизу.
Убедительнее для наблюдения искривления луча в оптически неоднородной среде проходит опыт с нагреваемым оргстеклом. Полуцилиндрическая пластина из оргстекла устанавливается на электрическую плитку, которая разогревается примерно до 100°С. Постепенно эффект полного отражения луча на границе стекло-воздух переходит в плавное его искривление. Причина – изменение оптической плотности оргстекла из-за изменения его температуры.

Искривление луча в оргстекле.

Опыт №3

Распространение света в неравномерно нагретом оргстекле

Цель. Наблюдение искривления светового луча в оргстекле при нагревании.

Приборы и материалы: полуцилиндрическая пластина из оргстекла, электрическая плитка, источник света с лампой на 12 В, снабжённый экраном со щелью шириной 2 мм (из комплекта шайбы Гартля).

Ход опыта. 1. Установить пластину из оргстекла на холодную электрическую плитку.

2. Включить плитку в сеть.

4. Наблюдать замену полного отражения луча в его изгибание.

Астрономическая рефракция.

Искривление световых лучей при прохождении света через атмосферу называется рефракцией света в атмосфере. Астрономической рефракции подвергаются лучи, приходящие к земному наблюдателю от Солнца, Луны или звёзд. При объяснении этих явлений надо учитывать, что показатель преломления атмосферы немного больше единицы и то, что он изменяется от точки к точке соответственно изменению плотности воздуха.

А б

Рис. 6

Если представить атмосферу как набор оптически однородных горизонтальных слоёв одинаковой толщины, у которых показатель преломления скачком меняется от одного слоя к другому, постепенно увеличиваясь в направлении от верхних слоёв к нижним, то траектория луча, приходящего от небесного объекта к наблюдателю будет ломаной линией (Рис. 3, а). В действительности плотность атмосферы, а значит, и её показатель преломления изменяются с высотой не скачками, а непрерывно. Потому траектория светового луча представляет собой кривую линию (Рис. 6, б). Вследствие искривления лучей наблюдатель может видеть объект не в том направлении, которое соответствует действительности. В отсутствие рефракции объект был бы виден под углом α (действительное зенитное расстояние объекта). Рефракция же приводит к тому, что объект виден под углом γ. γ

Своеобразие солнечных закатов

Любуясь закатом Солнца, мы видим, как нижний край света коснулся линии горизонта, мы обычно не осознаём, что в действительности в данный момент этот край света уже находится на 35´ ниже линии горизонта. Верхний край солнечного диска приподнимается рефракцией слабее – только на 29´. Поэтому заходящее Солнце кажется немного сплюснутым по вертикали.

Рис. 7

На показатель преломления воздуха влияет, кроме математического изменения плотности воздуха с высотой, также конвекционные потоки, ветер, степень влажности, температуры.

Особенности прогревания атмосферы в нижних слоях над различными участками земной поверхности приводят к тому, что нам иногда кажется Солнце заходящим не за линию горизонта, а за некоторую невидимую линию, находящуюся над горизонтом. При этом облачность отсутствует.

Рис. 8

Если в это время подняться на вершину холма или верхний этаж дома, то можно наблюдать ещё более странную картину: Солнце заходит за линию горизонта, но при этом диск оказывается как бы перерезанным горизонтальной «слепой полосой».

Такая картина наблюдается, если воздух около самой Земли оказывается холодным, а выше располагается слой тёплого воздуха. Переход от нижнего холодного слоя к верхнему тёплому может приводить к резкому спаду показателя преломления. Если предположить, что спад происходит скачком, ход лучей при переходе через границу между тёплым и холодным воздухом можно иллюстрировать рисунком 9.

Рис. 9

В точке О находится наблюдатель. h 1 – высота холодного слоя воздуха.

Рассмотрим Δ О 1 ОС. По теореме синусов: ;

Учтём, что О 1 О=R, O 1 C=R+h 1 . Тогда => sin α 2 =sin или. Отсюда следует, что по мере увеличения γ от 0° до 90°, угол α2 возрастает, достигая максимального значении я при γ=90°(sin 90°=1).

При α 2 =α 0 (предельному углу) луч, идущий из тёплого слоя воздуха, совпадёт с касательной к границе с холодным слоем. К наблюдателю не будут попадать лучи, которые войдут в холодный слой в точках, лежащих ниже точки В. Это объясняет явление, представленное на рисунке 8. Ширину «слепой полосы» определяет угол β. Если же человек поднимается на холм, (точка О и линия горизонта приподняты), то он может увидеть часть диска ниже «слепой полосы», которую теперь определяет угол 2β.

Рис. 10

Возникновение «слепой полосы»

Рисунок «слепой полосы»

Земная рефракция

Не менее интересна земная рефракция света, когда происходит искривление лучей, идущих к наблюдателю от объектов, расположенных на Земле. При этом происходит впечатляющее явление, получившее название миража. Самую простую форму миража часто удаётся наблюдать летом автомобилистам, едущим в жаркий день вдоль длинного и ровного шоссе.

Т.к. дорога сильно нагрета, прилегающий к ней воздух так же нагревается, а его плотность уменьшается. Коэффициент преломления воздуха внизу меньше, чем наверху.

Рис. 11

Глаз наблюдателя видит свет, идущий с неба из точки А, но у него создаётся впечатление, что свет идёт из точки В (рис. 11).

Рис. 12

Для возникновения верхнего миража (миража дальнего видения) необходимо, чтобы показатель преломления приповерхностного слоя воздуха достаточно быстро уменьшался с высотой, что возможно, когда, например, внизу располагается слой холодного воздуха, а над ним находится слой более тёплого воздуха.

Рис. 13

Глаз наблюдателя проецирует лучи в том направлении, по которому они входят в него. Большое количество миражей дальнего видения наблюдается на побережье Средиземного моря. Видимо, в этом повинна пустыня Сахара. Горячие массы воздуха поднимаются над ней, затем уносятся на север и создают благоприятные условия для возникновения миражей. Верхние миражи возникают и в северных странах, когда дуют тёплые южные ветры. Верхние слои атмосферы оказываются нагретыми, а нижние – охлаждёнными из-за наличия больших масс льдов и снега.

Иногда наблюдаются одновременно прямые и обратные изображения предметов.

Рис. 14

Моделирование двойного миража

Если за кюветой, в которую налиты раствор соли и вода, на расстоянии 20-30 см от неё наклонно расположить длинную белую спицу или полоску белой бумаги, то при наблюдении через кювету можно увидеть характерный изгиб в изображении спицы. Вблизи границы раздела жидкостей наблюдается два изображения конца спицы: нижнее – перевёрнутое, верхнее – прямое.

Рис. 15

Отрезку SM соответствует перевёрнутое изображение S´M´, образованное лучами, идущими ниже границы раздела жидкостей, и прямое S´M´´, образованное лучами, распространяющимися выше границы раздела.

Одновременное появление прямого и перевёрнутого изображений прямой спицы может служить моделированием двойного миража.

Так искривляется прямая бумажная полоска, если наблюдать её через оптически неоднородную среду.

Заключение

Преломление света охватывает очень широкий круг явлений природы, среди которых мы выделили те, которые смогли наблюдать сами. Особое место среди них занимают миражи. Они описаны в научных и художественных книгах. Некоторые из них имеют имена, о них сложены легенды. Многие миражи, особенно сверхдальние, когда изображение переносится за тысячи километров, являются весьма сложными оптическими явлениями. Для объяснения возникновения «Летучего голландца», «Фата-Моргана», хрономиражей недостаточно рассмотрение только рефракции света в атмосфере. Физический механизм таких явлений значительно сложнее. Объяснения некоторым из них до сих пор не существует. Возможно, что при определённых условиях в атмосфере образуются гигантские воздушные линзы, своеобразные светопроводы, вторичные миражи, т.е. миражи от миражей. Возможно также, что определённую роль в возникновении миражей играет ионосфера, которая может отражать световые волны.

Фотографии миражей

Список использованной литературы

1. С. Толанский. Удивительные свойства света. Москва: Издательство «Мир», 1969.
2. В.В. Майер. Простые опыты по криволинейному распространению света. Москва: Издательство «Наука», 1984.
3. В.В. Майер. Полное отражение света в простых опытах. Москва: Издательство «Наука», 1986.
4. Л.В. Тарасов, А.Н. Тарасова. Беседы о преломлении света. Москва: Издательство «Наука», 1982.
5. В.Л. Булат. Оптические явления в природе. Москва: Издательство «Просвещение», 1974.
6. Ф. Вуд. Искусственные миражи // Журнал «Квант». 1971. № 10. https://accounts.google.com

В видеоуроке физики от Академии занимательных наук профессор Даниил Эдисонович продолжает начатый в предыдущей серии передачи разговор о свете. Что такое отражение света телезрители уже знают, а вот что такое преломление света? Именно преломлением света объясняются некоторые странные оптические явления, которые мы можем наблюдать в нашей повседневной жизни.

Явление преломления света

Почему ноги стоящих в воде людей кажутся короче, чем на самом деле, а если посмотреть на дно реки, то оно кажется ближе? Всё дело в явлении преломления света. Свет всегда старается двигаться по прямой линии, кратчайшим путём. Но попадая из одной физической среды в другую часть солнечных лучей меняет направление. В этом случае мы имеем дело с явлением преломления света. Именно поэтому ложка в стакане с чаем кажется сломанной — свет от части ложки, которая в чае, достигает наших глаз под другим углом, чем свет от части ложки, которая находится над поверхностью жидкости. Преломление света в данном случае происходит на границе воздуха с водой. При отражении луч света движется самым коротким путём, а при преломлении — самым быстрым. Используя законы отражения и преломления света, люди создали множество вещей, без которых сегодня наша жизнь немыслима. Телескопы, перископы, микроскопы, увеличительные стёкла, всё это было бы невозможно создать без знания законов преломления и отражения света. Увеличительное стекло увеличивает потому, что пройдя через него, лучи света попадают в глаз под углом большим, чем лучи, отражённые от самого предмета. Для этого предмет нужно расположить между лупой и её оптическим фокусом. Оптический фокус; это точка, в которой пересекаются (фокусируются) первоначально параллельные лучи после прохождения через собирающую систему (либо где пересекаются их продолжения, если система рассеивающая). У линзы (например, линзы очков) есть две стороны, поэтому луч света преломляется дважды — входя и выходя из линзы. Поверхность линзы может быть выгнутой, вогнутой или плоской, что определяет, каким именно образом в ней произойдёт явление преломления света. Если у линзы обе стороны выпуклые — это собирательная линза. Преломляясь в такой линзе, лучи света собираются в одной точке. Она называется главным фокусом линзы. Линза с вогнутыми сторонами называется рассеивающей. На первый взгляд она лишена фокуса, ведь лучи, проходя через неё, рассеиваются, расходятся в стороны. Но если мы перенаправим эти лучи обратно, то они, вновь пройдя через линзу, соберутся в точке, которая и будет фокусом этой линзы. Есть линза и в глазу человека, она называется хрусталиком. Его можно сравнить с кинопроектором, который проецирует картинку на экран — заднюю стенку глаза (сетчатку). Вот и получается, что озеро — это гигантская линза, вызывающая явление преломления света. Потому и кажутся короткими ноги у стоящих в нём рыбаков. Радуга тоже появляется на небе из-за линз. В их роли выступают мельчайшие капельки воды или частицы снега. Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов. В результате белый свет разлагается в спектр (происходит дисперсия света). Наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по окружностям (дугам).

Вариант 1. Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики, выпрямитель ВС-24 или ВС 4-12, плоское зеркало из деталей прибора.

При подготовке прибора по геометрической оптике к работе регулируют освещение экрана. Для этого ослабляют шаровой шарнир и поворачивают или смещают осветитель до тех пор, пока средняя полоска света не пройдет через весь экран (по его диаметру). В этом положении осветитель закрепляют. Если же при этом полоска света будет расплывчатой, не резкой, то, отпустив винт, фиксирующий электропатрон в осветителе, вращают, опускают или поднимают электропатрон до получения четкой полоски света на экране. Если боковые полоски света не доходят до края экрана, то следует изменить наклон осветителя. После наладки все винты надежно закрепляют.

Установку собирают по рисунку 278. С помощью прижима ус­танавливают плоское зеркало из набора оптических деталей так, чтобы его отражающая поверхность совпадала с горизонтальной осью. Оставляют лишь один средний луч. Изменяют угол паде­ния от 0 до 90°, отмечают угол отражения, сравнивают эти углы, делают вывод.

Повторяют опыт, демонстрируя свойства обратимости световых пучков, для чего переводят осветитель из одной части диска в дру­гую. (При демонстрации опытов по геометрической оптике поме­щение должно быть затемнено.)

Рис. 278 Рис. 280

Опыт 2. Преломления света

Вариант 1. Оборудование:

На экране устанавливают прозрачный полуцилиндр мато­вой стороной к экрану и плоским срезом вверх так, чтобы он со­впадал с горизонтальной осью. Центр полуцилиндра совмещают с центром экрана с помощью риски на матовой поверхности полу­цилиндра (рис. 280).

При демонстрации опыта пользуются средним лучом. Направ­ляют луч в центр полуцилиндра перпендикулярно плоскости (луч проходит без изменения направления). Отклоняют падающий луч от перпендикуляра и замечают, что преломленный луч выходит из полуцилиндра под другим углом. Сравнивают углы падения и пре­ломления, делают вывод.

Повторяют опыт при другом угле паде­ния. (Во время опыта следует обратить внимание на раздвоение пучка света на границе раздела двух сред.)

Опыт 3. Явление полного отражения света

Вариант 1. Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики, выпрямитель ВС-24 или ВС 4-12, полуцилиндр из набора оптических деталей.

Обратив внимание на соотношение углов падения и преломления в предыдущем опыте (рис.280), изменяют положение полуцилиндра. Его выпуклой стороной устанавливают к осветите­лю (плоский срез совпадает с горизонтальной осью). Изменяют углы падения, сравнивают с углами преломления, делают вывод.

Сравнивают соотношение углов падения и преломления в зависимости от соотношения оптической плотности сред (результаты данного и предыдущего опытов). Делают вывод.

Убеждаются, что при увеличении угла падения яр­кость отраженного пучка возрастает, а преломленного - уменьша­ется. Увеличивают угол падения до тех пор, пока преломленный луч не исчезнет. При дальнейшем увеличении угла падения будет на­блюдаться только отраженный луч. Наблюдают явление полного отра­жения света.

Вопрос. Чему равен предельный угол полного отражения? (Ответ дайте с одной значащей цифрой.)

Вариант 2. Оборудование: проекционный аппарат, аквариум.

Установку собирают по рисун­ку 281. В стеклянную ванну (аквариум) наливают слой воды толщиной 7-8 см и подкрашивают ее хвойным концентратом. Перед конденсором проекционного ап­парата устанавливают горизонтальную щель, а на оправу объек­тива надевают плоское зеркало. Направляют пучок света на бо­ковую стенку стеклянной ванны. Наблюдают преломление пучка света в воде, полное отражение от поверхности воды и преломление при выходе пучка из ванны. Изменяя угол падения, можно наблюдать многократное полное отражение пучка света от по­верхности воды и дна ванны.