Волгоградська муніципальна гімназія № 1
Екзаменаційна робота з фізики на тему:
«Оптичні явища в природі»
Виконали учениці 9класса «Б»
Покусаева В.О.
Трубникова М.В.
2001
План
1. Вступ а) Що таке оптика? б) Види оптики в) Роль оптики в розвитку сучасної фізики
2. Явища, пов'язані з відбиттям світла а) Предмет і його віддзеркалення б) Залежність коефіцієнта віддзеркалення від кута падіння світла в) Захисні стекла д) Повне віддзеркалення світла е) Циліндричний світловод ж) Алмази і самоцвіти
3. Явища, пов'язані з заломленням світла а) Міраж б) Веселка
4. Полярні сяйва
Введення
Що таке оптика?
Перші уявлення стародавніх учених про світло були вельми наївні.
Вважалося, що з очей виходять особливі тонкі щупальця і зоровівраження виникають при обмацуванні ними предметів. Тоді під оптикоюрозуміли науку про зір. Саме такий точний зміст слова «оптика». Усередні віки оптика поступово з науки про зір перетворилася на науку просвітлі, цьому сприяв винахід лінз і камери-обскури. Усучасний час оптика - це розділ фізики, в якому досліджуєтьсявипускання світла, його поширення в різних середовищах і взаємодія зречовиною. Що ж стосується питань, пов'язаних із зором, пристрій іфункціонування очі, то вони виділилися в спеціальний науковийнапрям, званий фізіологічною оптикою.
Види оптики
При розгляді багатьох оптичних явищ можна користуватисяподанням про світлових променях - геометричних лініях, уздовж якихрозповсюджується світлова енергія. У цьому випадку говорять про геометричній
(променевої) оптиці.
Геометрична оптика широко використовується в світлотехніці і прирозгляді дій численних приладів і пристроїв - починаючи від лупиі окулярів і закінчуючи складними оптичними мікроскопами і телескопами.
На початку XIX століття розвернулися інтенсивні дослідження відкритихраніше явищ інтерференції, дифракції та поляризації світла. Ці явища незнаходили пояснення в рамках геометричної оптики, необхідно булорозглядати світло у вигляді поперечних хвиль. Так виникла хвильова оптика.
Спочатку вважали, що світло - це пружні хвилі в деякому середовищі
(світовому ефірі), яка ніби-то заповнює весь світовий простір.
У 1864 році англійський фізик Джеймс Максвелл створивелектромагнітну теорію світла, згідно якої хвилі світла - цеелектромагнітні хвилі з відповідним діапазоном довжин.
Дослідження, виконані на початку XX століття, показали, що дляпояснення деяких явищ, наприклад фотоефекту, необхідно представитисвітловий пучок у вигляді потоку своєрідних частинок - світлових квантів
(фотонів). Ще 200 років тому Ісаак Ньютон дотримувався аналогічної точкизору на природу світла у своїй «теорії закінчення світу». Теперуявлення про світлові кванти вивчає квантова оптика.
Роль оптики в розвитку сучасної фізики.
Роль оптики в розвитку сучасної фізики велика. Виникнення двохнайбільш важливих і революційних теорій двадцятого сторіччя (квантовоїмеханіки і теорії відносності) в істотній мірі пов'язане зоптичними дослідженнями. Оптичні методи аналізу речовини намолекулярному рівні породили спеціальний науковий напрям - молекулярнуоптику. До неї тісно примикає оптична спектроскопія, вживана всучасному матеріалознавстві, при дослідженнях плазми, в астрофізики.
Існують також електронна і нейтронна оптики; створено електронниймікроскоп і нейтронне дзеркало. Розроблені оптичні моделі атомних ядер.
Сприяючи розвитку різних напрямів сучасної фізики, оптика втой же час і сама переживає сьогодні період бурхливого розвитку. Основнийпоштовх цьому розвитку дало винахід інтенсивних джерел когерентногосвітла - лазерів. В результаті хвильова оптика піднялася на вищийщабель, відповідну когерентної оптиці. Важко навіть перелічити всіновітні науково-технічні напрями, що розвиваються завдяки появілазерів. Серед них нелінійна оптика, голографія, радіооптіка,пікосекундная оптика, адаптивна оптика та інші. Радіооптіка виникла настику радіотехніки і оптики; вона досліджує оптичні методи передачі іобробки інформації. Ці методи зазвичай поєднують з традиційнимиелектронними методами; в результаті склалося науково-технічненапрямок, зване оптоелектроннікой. Передача світлових сигналів подіелектричним волокнах складає предмет волоконної оптики. Використовуючидосягнення нелінійної оптики, можна виправляти хвильовий фронт світловогопучка, що спотворюється при розповсюдженні світла в тому або іншому середовищі,наприклад в атмосфері або у воді. В результаті виникла і інтенсивнорозвивається так звана адоптівная оптика. До неї тісно примикаєзароджується на наших очах фотоенергетика, що займається, зокрема,питаннями ефективної передачі світлової енергії за променем світла. Сучасналазерна техніка дозволяє отримувати світлові імпульси тривалістю порядкувсього лише пікосекунди. Такі імпульси виявляються унікальним
«Інструментом» для дослідження цілого ряду бистропротекающіх процесів вречовині, і зокрема в біологічних структурах. Виникло і розвиваєтьсяспеціальний напрям - пікосекундная оптика; до нього тісно примикаєфотобіологія. Можна без перебільшення сказати, що широке практичневикористання досягнень сучасної оптики - обов'язкова умова науково -технічного прогресу. Оптика відкрила людському розуму дорогу вмікросвіт, вона ж дозволила йому проникнути в таємниці зоряних світів. Оптикаохоплює всі сторони нашої практичної діяльності.
Явища, пов'язані з відбиттям світла.
Предмет і його відображення
Те, що відображений в стоячій воді пейзаж не відрізняється від реального, атільки перевернуть «догори ногами» далеко не так.
Якщо людина подивиться пізно увечері, як відбиваються у водісвітильники або як відбивається берег, що спускається до води, то відображенняздасться йому укороченим і зовсім «зникне», якщо спостерігач знаходитьсявисоко над поверхнею води. Також ніколи не можна побачити відображенняверхівки каменя, частина якого занурена у воду.
Пейзаж бачиться спостерігачеві таким, неначебто на нього дивилися зточки, що знаходиться на стільки глибше за поверхню води, наскільки окоспостерігача знаходиться вище поверхні. Різниця між пейзажем і йогозображенням зменшується у міру наближення ока до поверхні води, атак само у міру видалення об'єкту.
Часто людям здається, що віддзеркалення в ставку кущів і дереввідрізняється більшою яскравістю фарб і насиченістю тонів. Цю особливістьтакож можна помітити, спостерігаючи віддзеркалення предметів в дзеркалі. Тут великуроль грає психологічне сприйняття, чим фізична сторона явища.
Рама дзеркала, береги ставка обмежують невелику ділянку пейзажу, захищаючибічний зір людини від надмірного розсіяного світла, що надходить зусього небосхилу і засліплюючого спостерігача, тобто він дивиться на невеликуділянку пейзажу як би через темну вузьку трубу. Зменшення яскравостівідбитого світла в порівнянні з прямим полегшує людям спостереження неба,хмар і інших яркоосвещенних предметів, що при прямому спостереженнівиявляється дуже яскравим для ока.
Залежність коефіцієнта віддзеркалення від кута падіння світла.
На межі двох прозорих середовищ світло частково відбивається, частковопроходить в інше середовище і поламаний, частково поглинається середовищем.
Відношення відображеної енергії до падаючої називають коефіцієнтом віддзеркалення.
Відношення енергії світла, що пройшло через речовину, до енергії падаючогосвітла називають коефіцієнтом пропускання.
Коефіцієнти віддзеркалення і пропускання залежать від оптичних властивостей,межують між собою середовищ і кута падіння світла. Так, якщо світло падає наскляну пластинку перпендикулярно (кут падіння? = 0), то відображаєтьсяусього лише 5% світлової енергії, а 95% проходить через кордон розділу. Призбільшенні кута падіння частка відображеної енергії зростає. При кутіпадіння? = 90? вона дорівнює одиниці.
Залежність інтенсивності відбитого і що проходить через склянуплатівку світла можна прослідкувати, розташовуючи пластинку під різнимикутами до світлових променів і оцінюючи інтенсивність на око.
Цікаво також оцінити на око інтенсивність світла, відбитого відповерхні водоймища, залежно від кута падіння, поспостерігати віддзеркаленнясонячних променів від вікон будинку при різних кутах падіння вдень, при заході сонця,сході світила.
Захисні скла
Звичайні шибки частково пропускають теплові промені. Це добредля використання їх у північних районах, а також для парників. На півдні жприміщення настільки перегріваються, що працювати в них важко. Захист від
Сонця зводиться або до затемнення будівлі деревами, або до виборусприятливої орієнтації будівлі при перебудові. І те й інше інодібуває скрутним і не завжди здійсненним.
Для того щоб скло не пропускало теплові промені, його покриваютьтонкими прозорими плівками оксидів металів. Так, олов'яно-сурм'янийплівка не пропускає більше половини теплових променів, а покриття містятьокис заліза, повністю відображають ультрафіолетові промені і 35-55% теплових.
Розчини плівкотвірних солей наносять з пульверизатора на гарячуповерхню скла під час його теплової обробки або формування. Привисокій температурі солі переходять у окису, міцно пов'язані з поверхнеюскла.
Так само виготовляють скло для світлозахисних очок.
Повне внутрішнє віддзеркалення світла
Красиве видовище є фонтан, у якого викидаютьсяструменя висвітлюються зсередини. Це можна зобразити в звичайних умовах, виконавшинаступний досвід (рис. 1). У високій консервній банці на висоті 5 см від днатреба просвердлити круглий отвір (а) діаметром 5-6 мм. Електричнулампочку з патроном треба акуратно обернути целофановій папером ірозташувати її напроти отвору. У банку треба налити води. Відкрившиотвір а, отримаємо струмінь, який буде освітлена зсередини. У темнійкімнаті вона яскраво світиться і опеньків виглядає дуже ефектно. Струмені можнадодати будь-яку забарвлення, помістивши на шляху променів світла кольорове скло б. Якщона шляху струменя підставити палець, то вода розбризкується і ці крапельки яскравосвітяться.
Пояснення цього явища досить просте. Промінь світла проходить уздовжструменя води і потрапляє на вигнуту поверхню під кутом, великимграничного, випробовує повне внутрішнє віддзеркалення, а потім знову потрапляєна протилежну сторону струменя під кутом знову більше граничного. Такпромінь проходить уздовж струменя згинаючись разом з нею.
Але якби світло повністю відбивалося усередині струменя, то вона не була бвидно ззовні. Частина світла розсіюється водою, бульбашками повітря ірізними домішками, наявними в ній, а також внаслідок нерівностейповерхні струменя, тому вона видно зовні.
Циліндричний світловод
Якщо направити світловий пучок в один торець суцільного скляноговигнутого циліндра, можна помітити, що світло буде виходити з його іншоготорця (мал. 2); через бічну поверхню циліндра світло майже не виходить.
Проходження світла по скляному циліндрі пояснюється тим, що, падаючи навнутрішню поверхню циліндра під кутом, більше граничного, світлобагаторазово відчуває повне відображення і досягає кінця.
Чим циліндр тонше, тим частіше будуть відбуватися відображення променя і тимбільша частина світу буде падати на внутрішню поверхню циліндра підкутами, великими граничного.
Алмази і самоцвіти
У Кремлі існує виставка алмазного фонду Росії.
У залі світло злегка приглушений. У вітринах виблискують творіння ювелірів.
Тут можна побачити такі алмази, як «Орлов», «Шах», «Марія», «Валентина
Терешкова ».
Секрет чарівної гри світла в алмазах, полягає в тому, що цейкамінь має високий показник заломлення (n = 2,4173) і внаслідок цьогомалий кут повного внутрішнього відбиття (? = 24? 30 ') і має більшудисперсією, що викликає розкладання білого світу на прості кольори.
Крім того, гра світла в алмазі залежить від правильності його ограновування.
Грані алмазу багато разів відображають світло усередині кристала. Унаслідок великоїпрозорості алмазів високого класу світло усередині них майже не втрачає своєїенергії, а тільки розкладається на прості кольори, промені яких потімвириваються назовні в різних, найнесподіваніших напрямах. При поворотікаменя міняються кольори, що виходять із каменя, і здається, що сам він єджерелом багатьох яскравих різноколірних променів.
Зустрічаються алмази, пофарбовані в червоний, блакитний і бузковийкольору. Сяйво алмазу залежить від його ограновування. Якщо дивитися крізь добреогранований водяна-прозорий діамант на світло, то камінь здаєтьсяабсолютно непрозорим, а деякі його грані виглядають просто чорними. Цевідбувається тому, що світло, зазнаючи повне внутрішнє віддзеркалення,виходить у зворотному напрямі або в сторони.
Якщо дивитися на верхню ограновування з боку світла, вона сяє багатьмаквітами, а місцями блищить. Яскраве миготіння верхніх граней діамантаназивають алмазним блиском. Нижня сторона діаманта зовні здається як бипосрібленою і відливає металевим блиском.
Найбільш прозорі і крупні алмази служать прикрасою. Дрібні алмазизнаходять широке застосування в техніці як різального або шліфуютьінструменту для металообробних верстатів. Алмазами армують головкибурильного інструменту для проходки свердловин в твердих породах. Такезастосування алмазу можливе через велику відрізняє його твердості. Іншідорогоцінні камені в більшості випадків є кристалами оксиду алюмініюз домішкою оксидів офарблюючих елементів - хрому (рубін), міді (смарагд),марганцю (аметист). Вони також відрізняються твердістю, міцністю і володіютькрасивої забарвленням і «грою світла». В даний час уміють отримуватиштучним шляхом великі кристали оксиду алюмінію і фарбувати їх вбажаний колір.
Явища дисперсії світла пояснюють різноманіттям фарб природи. Цілийкомплекс оптичних експериментів з призмами в XVII столітті провів англійськавчений Ісак Ньютон. Ці експерименти показали, що біле світло не єосновним, його треба розглядати як складової ( «неоднорідний»); основнимиж є різні кольори ( «однорідні» промені, або «монохроматичні»промені). Розкладання білого світла на різні кольори відбувається за тієюпричини, що кожному кольору відповідає свій ступінь преломляемості. Цівисновки, зроблені Ньютоном, узгоджуються з сучасними науковимиуявленнями.
Поряд з дисперсією коефіцієнта заломлення спостерігається дисперсіякоефіцієнтів поглинання, пропускання і відбиття світла. Цим пояснюютьсярізноманітні ефекти при освітленні тел. Наприклад, якщо є якесьпрозоре для світла тіло, у якого для червоного світла коефіцієнтпропускання великий, а коефіцієнт віддзеркалення малий, для зеленого ж світланавпаки: коефіцієнт пропускання малий, а коефіцієнт відбиття великий, тодів світлі, що проходить тіло здаватиметься червоним, а в відбитому світлі --зеленим. Такими властивостями володіє, наприклад, хлорофіл - зеленеречовина, що міститься в листі рослин і обумовлює зелений колір.
Розчин хлорофілу в спирту при розгляді на просвіт виявляєтьсячервоним. У відбитому світлі цей же розчин виглядає зеленим.
Якщо у якогось тіла коефіцієнт поглинання великий, а коефіцієнтипропускання і віддзеркалення малі, то таке тіло здаватиметься чорним інепрозорим (наприклад, сажа). Дуже біле, непрозоре тіло (наприклад,окис магнію) має коефіцієнт відбиття близький до одиниці для всіх довжинхвиль, і дуже малі коефіцієнти пропускання і поглинання. Цілкомпрозоре для світла тіло (скло) має малі коефіцієнти відбиття тапоглинання і близький до одиниці для всіх довжин хвиль коефіцієнт пропускання.
У пофарбованого скла для деяких довжин хвиль коефіцієнти пропускання івідображення практично дорівнюють нулю і, відповідно, значення коефіцієнтапоглинання для цих же довжин хвиль близько до одиниці.
Явища, пов'язані з заломленням світла
Міраж
Деякі види міражів. З більшого різноманіття міражів виділимокілька видів: "озерні» міражі, звані також нижніми міражами,верхні міражі, подвійні і потрійні міражі, міражі наддалекого бачення.
Нижні ( «озерні») міражі виникають над сильно нагрітої поверхнею.
Верхні міражі виникаютьт, навпаки, над сильно охолодженої поверхнею,наприклад над холодною водою. Якщо нижні міражі спостерігають, як правило, впустелях і степах, то верхні спостерігають в північних широтах.
Верхні міражі відрізняються різноманітністю. В одних випадках вони даютьпряме зображення, в інших випадках в повітрі з'являється переверненезображення. Міражі можуть бути подвійними, коли спостерігаються два зображення,просте і перевернуте. Ці зображення можуть бути розділені смугоюповітря (одне може опинитися над лінією горизонту, інше під нею), алеможуть безпосередньо змикатися одна з одною. Іноді виникає ще одне --третє зображення.
Особливо дивовижні міражі наддалекого бачення. К. Фламмаріон всвоїй книзі "Атмосфера" описує приклад подібного міражу: «Спираючись насвідчення декількох осіб, які заслуговують на довіру, я можу повідомити проміраж, який бачили в місті Верв'є (Бельгія) у червні 1815 Одного разувранці жителі міста побачили в небі військо, і так ясно, що можна булорозрізнити костюми артилеристів і навіть, наприклад, гармату зі зламанимколесом, яке ось-ось відвалиться ... Це був ранок битви при Ватерлоо! »
Описаний міраж зображений у вигляді кольорової акварелі одним з очевидців.
Відстань від Ватерлоо до Верв'є по прямій лінії складає більше 100 км.
Відомі випадки, коли подібні міражі спостерігалися і на великих відстанях
- До 1000 км. «Летючого голландця» слід віднести саме до таких міражами.
Пояснення нижнього ( «озерного») міражу. Якщо повітря біля самоїповерхні землі сильно нагрітий і, отже, його щільністьвідносно мала, то показник заломлення у поверхні буде менший,ніж у більш високих повітряних шарах. Зміна показника заломленняповітря n з висотою h поблизу земної поверхні для даного випадкупоказано на малюнку 3, а.
Відповідно до встановленого правилом, світлові промені поблизуповерхні землі в даному випадку згинатися так, щоб їх траєкторіябула звернена опуклістю вниз. Нехай в точці A перебуває спостерігач.
Світловий промінь від деякої ділянки блакитного неба потрапить в окоспостерігача, випробувавши вказане викривлення. А це означає, що спостерігачпобачить відповідну ділянку неба не над лінією горизонту, а нижчеїї. Йому буде здаватися, що він бачить воду, хоча насправді перед нимзображення блакитного неба. Якщо уявити собі, що у лінії горизонтузнаходяться горби, пальми або інші об'єкти, то спостерігач побачить і їхперевернутими, завдяки зазначеному викривлення променів, і сприйме яквідображення відповідних об'єктів в неіснуючій воді. Так виникаєілюзія, що є "озерний» міраж.
Прості верхні міражі. Можна припустити, що повітря у самоїповерхні землі або води не нагрітий, а, навпаки, помітно охолоджений попорівнянні з більш високими повітряними шарами; зміна n з висотою hпоказано на малюнку 4, а. Світлові промені в даному випадку згинаютьсятак, що їх траєкторія обернена опуклістю вгору. Тому теперспостерігач може бачити об'єкти, сховані від нього за горизонтом, причому вінбуде бачити їх вгорі як би висять над лінією горизонту. Тому такіміражі називають верхніми.
Верхній міраж може давати як пряме, так і перевернуте зображення.
Показане на малюнку пряме зображення виникає, коли показникзаломлення повітря зменшується з висотою відносно повільно. Пришвидкому зменшенні показника заломлення утворюється переверненезображення. У цьому можна переконатися, розглянувши гіпотетичний випадок --показник заломлення на деякій висоті h зменшується стрибком (рис. 5).
Промені об'єкту, перш ніж потрапити до спостерігача А випробовують повневнутрішнє віддзеркалення від межі НД нижче за яку в даному випадку знаходитьсябільш щільний повітря. Видно, що верхній міраж дає перевернутезображення об'єкта. Насправді немає стрибкоподібно кордону міжшарами повітря, перехід здійснюється поступово. Але коли здійснюєтьсядосить різко, то верхній міраж дасть перевернуте зображення (рис. 5).
Подвійні і потрійні міражі. Якщо показник заломлення повітрязмінюється спочатку швидко, а потім повільно, то в цьому випадку промені вобласті I будуть скривлюватися швидше, ніж в області II. У результатівиникають два зображення (мал. 6, 7). Світлові промені 1, що поширюютьсяв межах повітряної області I, формують перевернуте зображення об'єкта.
Промені 2, що поширюються в основному в межах області II, викривляються вменшою мірою і формують пряме зображення.
Щоб зрозуміти як з'являється потрійний міраж, потрібно представити трипослідовний повітряні області: перша (у самої поверхні), депоказник заломлення зменшується з висотою поволі, наступна, депоказник заломлення зменшується швидко, і третя область, де показникзаломлення знову зменшується повільно. На малюнку представленощо розглядається зміна показника заломлення з висотою. На малюнкупоказано, як виникає потрійний міраж. Промені 1 формують нижнє зображенняоб'єкту, вони розповсюджуються в межах повітряного області I. Промені 2формують перевернуте зображення; потрапляю в повітряну область II, ціпромені випробовують сильне викривлення. Промені 3 формують верхнє прямезображення об'єкта.
Міраж наддалекого бачення. Природа цих міражів вивчена найменше.
Ясно, що атмосфера повинна бути прозорою, вільною від водяної пари ізабруднень. Але цього мало. Повинен утворитися стійкий шарохолодженого повітря на деякій висоті над поверхнею землі. Нижче івище цього шару повітря повинен бути більш теплим. Світловий промінь, що потрапиввсередину щільного холодного шару повітря, як би "замкнутим" всередині нього іпоширюється в ньому як за своєрідним світловод. Траєкторія променя намалюнку 8 весь час звернена опуклістю убік менш щільних областейповітря.
Виникнення наддалеких міражів можна пояснити розповсюдженнямпроменів усередині подібних «світловодів», які іноді створює природа.
Веселка
Веселка - це красиве небесне явище - завжди привертала увагулюдини. У колишні часи, коли люди ще мало знали про навколишній світ,веселку вважали "небесним знаменням». Так, стародавні греки думали, що веселка
- Це усмішка богині Іриди.
Радуга спостерігається осторонь, протилежною Сонцю, на тлі дощовиххмар або дощу. Разноцветная дуга зазвичай знаходиться від спостерігача навідстані 1-2 км, а іноді її можна спостерігати на відстані 2-3 м на тліводяних крапель, утворених фонтанами або розпилювачами води.
Центр веселки знаходиться на продовженні прямої, що сполучає Сонце іочей спостерігача - на протисонячному лінії. Кут між напрямком наголовну веселку і протисонячному лінією становить 41-42є (рис. 9).
У момент сходу сонця протисонячні точка (точка М) знаходиться налінії горизонту і веселка має вигляд напівокружності. У міру підняття Сонцяпротисонячні крапка опускається під горизонт і розмір веселки зменшується.
Вона являє собою лише частину кола.
Часто спостерігається побічна веселка, концентрична з першою, з кутовимрадіусом близько 52є і зворотнім розташуванням кольорів.
При висоті Сонця 41є головна веселка перестає бути видимою і надгоризонтом виступає лише частина побічної веселки, а при висоті Сонця більш
52є не видно і побічна веселка. Тому в середніх екваторіальних широтах уоколополуденние годинник це явище природи ніколи не спостерігається.
У веселки розрізняють сім основних кольорів, плавно переходять один вінший.
Вид дуги, яскравість кольорів, ширина смуг залежать від розмірів крапельокводи та їх кількості. Великі краплі створюють більш вузьку веселку, з різковиділяються квітами, малі - дугу розпливчасті, бляклу і навіть білу. Осьчому яскрава вузька веселка видно влітку після грозового дощу, під часякого падають великі краплі.
Вперше теорія веселки була дана в 1637 році Рене Декартом. Він поясниввеселку, як явище, пов'язане з відображенням і заломленням світла в дощовихкраплях.
Освіта квітів і їх послідовність були пояснені пізніше, післярозгадки складної природи білого світу і його дисперсії в середовищі.
Дифракційна теорія веселки розроблена Ері і Партнером.
Можна розглянути простий випадок: хай на краплі, що мають формукулі, падає пучок паралельних сонячних променів (рис. 10). Луч, що падає наповерхню краплі в точці А, заломлюється всередині неї за законом заломлення:
n sin? = n sin?, де n = 1, n? 1,33 - відповідно показники заломлення повітря і води,? - Кутпадіння, а? - Кут заломлення світла.
Усередині краплі йде по прямий промінь АВ. У точці В відбувається частковезаломлення променя і часткове його віддзеркалення. Треба зауважити, що, чим меншекут падіння в точці В, а отже і в точці А, тим меншеінтенсивність відображеного променя і тим більше інтенсивність зламаногопроменя.
Луч АВ після відбиття в точці В відбувається під кутом? `=? b потрапляєв точку С, де також відбувається часткове віддзеркалення і часткове заломленнясвітла. Переломлені промінь виходить з краплі під кутом?, А відбитий можепройти далі, в точку D і т.д. Таким чином, промінь світла в краплізазнає багатократне віддзеркалення і заломлення. При кожному відбиттідеяка частина променів світла виходить назовні і інтенсивність їх усередині краплізменшується. Найбільш інтенсивним з виходять у повітря променів є промінь,що вийшов з краплі в точці В. Але спостерігати його важко, так як він втрачаєтьсяна тлі яскравих прямих сонячних променів. Промені ж, заломлені в точці С,створюють в сукупності на тлі темної хмари первинну веселку, а промені,випробовують заломлення в точці D дають вторинну веселку, яка меншінтенсивне, ніж первинна.
При розгляді освіти веселки потрібно врахувати ще одне явище --неоднакове заломлення хвиль світла різної довжини, тобто світлових променіврізного кольору. Це явище носить назва дисперсії. Внаслідок дисперсіїкути заломлення? і кута відхилення променів? у краплі різні для променіврізного забарвлення.
Найчастіше ми спостерігаємо одну веселку. Непоодинокі випадки, коли нанебосхилі з'являються одночасно дві веселкові смуги, розташовані одназа одною; спостерігають і ще більше число небесних дуг - три, чотири і навітьп'ять одночасно. Це цікаве явище спостерігали ленінградці 24 вересня
1948 року, коли у другій половині дня серед хмар над Невою з'явилисячотири веселки. Виявляється, що веселка може виникати не тільки від прямихпроменів і нерідко вона з'являється і у відображених променях Сонця. Це можна бачитина березі морських заток, великих річок і озер. Три-чотири веселки --звичайні і відображені - створюють часом красиву картину. Так яквідображені від водної поверхні промені Сонця йдуть від низу до верху, то веселкаутворюється в променях, може виглядати іноді абсолютно незвично.
Не слід думати, що веселку можна спостерігати тільки вдень. Вона буваєі вночі, правда, завжди слабка. Побачити таку веселку можна після нічногодощу, коли з-за хмар вигляне Місяць.
Деякою подобу веселки можна отримати на такому досвіді: Потрібно колбу,наповнену водою, освітити сонячних світлом або лампою через отвір вбілій дошці. Тоді на дошці виразно стане видна веселка, причому кутрозбіжності променів в порівнянні з початковим напрямом складе близько 41 -
42 °. У природних умовах екрану немає, зображення виникає на сітківціочі, і око проектує це зображення на хмари.
Якщо веселка з'являється увечері перед заходом Сонця, то спостерігаютьчервону веселку. В останні п'ять або десять хвилин перед заходом всі кольоривеселки, окрім червоного, зникають, вона стає дуже яскравою і видимою навітьчерез десять хвилин після заходу сонця.
Красиве видовище є веселка на росі. Її можна спостерігатипри сході Сонця на траві, покритою росою. Ця веселка має формугіперболи.
Полярні сяйва
Одним з красивих оптичних явищ природи є полярнесяйво.
У більшості випадків полярні сяйва мають зелений або синьо-зеленийвідтінок з зрідка з'являються плямами або облямівкою рожевого або червоногокольору.
Полярні сяйва спостерігають в двох основних формах - у вигляді стрічок і ввигляді облакоподобних плям. Коли сяйво інтенсивно, воно набуває формистрічок. Втрачаючи інтенсивність, воно перетворюється на плями. Проте багато стрічокзникають, не встигнувши розбитися на плями. Стрічки як би висять в темномупросторі неба, нагадуючи гігантський завіса або драпіровку,простягнулася зазвичай зі сходу на захід на тисячі кілометрів. Висота цьогозавіси складає декілька сотень кілометрів, товщина не перевищуєдекількох сотень метрів, причому так ніжний і прозора, що крізь ньоговидно зірки. Нижній край завіси досить різко й чітко окреслений ічасто підфарбований в червоний або рожевий колір, що нагадує облямівку завіси,верхній - поступово втрачається у висоті і це створює особливо ефектневраження глибини простору.
Розрізняють чотири типи полярних сяйв:
Однорідна дуга - світиться смуга має найбільш просту, спокійнуформу. Вона більш яскрава знизу і поступово зникає догори на тлі свіченнянеба;
Лучистая дуга - стрічка стає декілька активнішою і рухомий,вона утворює дрібні складки і цівки;
Лучистая смуга - із зростанням активності крупніші складкинакладаються на дрібні;
При підвищенні активності складки або петлі розширюються до величезнихрозмірів, нижній край стрічки яскраво сяє рожевим світлом. Коли активністьспадає, складки зникають і стрічка повертається до однорідної формі. Ценаводить на думку, що однорідна структура є основною формоюполярного сяйва, а складки пов'язані із зростанням активності.
Часто виникають сяйва іншого вигляду. Вони захоплюють весь полярний районі виявляються дуже інтенсивними. Відбуваються вони під час збільшеннясонячної активності. Ці сяйва представляються у вигляді біло-зеленійшапки. Такі сяйва називають шквалами.
По яскравості сяйва розділяють на чотири класи, що відрізняються один відодного на один порядок (тобто в 10 разів). До першого класу належатьсяйва, ледве помітні і приблизно рівні по яскравості Чумацького Шляху,сяйво ж четвертого класу освітлюють Землю так яскраво, як повний Місяць.
Треба відзначити, що виникле сяйво розповсюджується на захід ізшвидкістю 1 км/сек. Верхні шари атмосфери в області спалахів сяйврозігріваються і спрямовуються вгору, що позначилося на посиленому гальмуванніштучних супутників Землі, що проходять ці зони.
Під час сяйв в атмосфері Землі виникають вихрові електричніструми, захоплюючі великі області. Вони порушують додатковінестійкі магнітні поля, так звані магнітні бурі. Під час сяйватмосфера випромінює рентгенівські промені, які, очевидно, єрезультатом гальмування електронів в атмосфері.
Інтенсивні спалахи сяйва часто супроводжуються звуками, що нагадуютьшум, тріск. Полярні сяйва викликають сильні зміни в іоносфері, що всвою чергу впливає на умови радіозв'язку. У більшості випадків радіозв'язокзначно погіршується. Виникають сильні перешкоди, а іноді повна втратаприйому.
Як виникають полярні сяйва. Земля є величезниммагніт, південний полюс якого знаходиться поблизу північного географічногополюса, а північний - поблизу південного. Силові лінії магнітного поля Землі,звані геомагнітними лініями, виходять з області, прилеглої допівнічного магнітного полюса Землі, охоплює земну кулю і входять до нього вобласті південного магнітного полюса, утворюючи тороїдальні грати навколо
Землі.
Довго вважалося, що розташування магнітних силових ліній симетричнощодо земної осі. Тепер з'ясувалося, що так званий «сонячнийвітер "- потік протонів і електронів, випромінюваних Сонцем, налітаю нагеомагнітну оболонку Землі з висоти близько 20000 км, відтягує її назад, всторону від Сонця, утворюючи у Землі своєрідний магнітний "хвіст".
Електрон або протон, що потрапили в магнітне поле Землі, рухаються поспіралі, як би навиваючи на геомагнітну лінію. Електрони і протони,що потрапили з сонячного вітру в магнітне поле Землі, розділяються на двічастини. Частина з них уздовж магнітних силових ліній відразу стікає в полярніобласті Землі; інші потрапляють всередину тероіда і рухаються всередині нього, якце можна за правилом лівої руки, уздовж замкнутої кривої АВС. Ці протони іелектрони в кінці кінців по геомагнітним лініях також стікають в областьполюсів, де виникає їх збільшена концентрація. Протони і електронипроводять іонізацію і возбужденіе атомів і молекул газів. Для цього вонимають достатньо енергії, тому що протони прилітають на Землю з енергіями
10000-20000ев (1ев = 1.6 10 дж), а електрони з енергіями 10-20ев. Дляіонізації ж атомів потрібно: для водню - 13,56 еВ, для кисню - 13,56еВ, для азоту - 124,47 еВ, а для порушення ще менше.
Збуджені атомів газів віддають назад отриману енергію у виглядісвітла, на зразок того, як це відбувається в трубках з зрідженим газом припропущенні через них струмів.
Спектральне дослідження показує, що зелене і червоне свіченняналежить порушеною атомів кисню, інфрачервоне і фіолетове --ионизованного молекул азоту. Деякі лінії випромінювання кисню та азотуутворюються на висоті 110 км, а червоне свічення кисню - на висоті 200 -
400 км. Іншим слабким джерелом червоного світла є атоми водню,утворили у верхніх шарах атмосфери з протонів прилетіли з Сонця.
Захопивши електрон, такий протон перетворюється на збуджений атом водню івипромінює червоне світло.
Спалахи сяйв відбуваються зазвичай через день-два після спалахів на
Сонце. Це підтверджує зв'язок між цими явищами. Дослідження придопомогою ракет показало, що в місцях більшої інтенсивності сяйв єзначніша іонізація газів електронами.
Останнім часом вчені встановили, що полярні сяйва більшеінтенсивні біля берегів океанів і морів.
Але наукове пояснення всіх явищ, пов'язаних з полярними сяйвами,зустрічає ряд труднощів. Наприклад, невідомий точно механізм прискореннячастинок до вказаних енергій, не цілком ясні їх траєкторії в навколоземномупросторі, не все сходиться кількісно в енергетичному балансііонізації і збудження частинок, не цілком ясний механізм утвореннясвітіння різних видів, неясне походження звуків.
Література:
1. «Фізика в природі», автор - Л. В. Тарасов, видавництво
«Просвещение», Москва, 1988 рік.
2. «Оптичні явища в природі», автор - В. Л. Булат, видавництво
«Просвещение», Москва, 1974 рік.
3. «Бесіди з фізики, частина II», автор - М. І. Блудов, видавництво
«Просвещение», Москва, 1985 рік.
4. «Фізика 10», автори - Г. Я. Мякишев Б. Б. Буховцев, видавництво
«Просвещение», Москва, 1987 рік.
5. «Енциклопедичний словник юного фізика», укладач В. А. Чуян, видавництво «Педагогіка», Москва, 1984 рік.
6. «Довідник школяра з фізики», упорядник -, філологічне товариство «Слово», Москва, 1995 рік.
7. «Фізика 11», Н. М. Шахман, С. Н. Шахман, Д. Ш. Шодіев, видавництво «Просвещение», Москва, 1991 рік.
8. «Рішення задач з фізики», В. А. Шевцов, Нижньо-Волзьке книжкове видавництво, Волгоград, 1999 рік.
