Природа света

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

1. Введение……………………………………………………3

2. Явления, связанные с отражением света……………….. 3

3. Явления, связанные с преломлением света……………...5

4.       Полярные сияния………………………………………...11

  Список литературы……………………………………………15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Весьма наивными были первые представления древних ученых о  свете. Они думали, что зрительные впечатления возникают при ощупывании предметов особыми тонкими щупальцами, которые выходят из глаз. Оптика была наука о зрении, именно так наиболее точно можно перевести это слово.

Постепенно в средние  века оптика из науки о зрении превратилась в науку о свете, способствовало этому изобретение линз и камеры-обскуры. На настоящий момент времени оптика - это раздел физики, исследующий  испускание света и его распространение  в различных средах, а также  взаимодействие его с веществом. Вопросы, связанные со зрением, устройством  и функционированием глаза, выделились в отдельное научное направление - физиологическая оптика.

Но английский физик Джеймс Максвелл в 1864 году создал электромагнитную теорию света, по которой волны света  – это электромагнитные волны  с соответствующим диапазоном длин.

А уже в начале XX века, новые проведенные исследования показали, что для объяснения некоторых  явлений, например, фотоэффекта, существует необходимость представить световой пучок в виде потока своеобразных частиц – световых квантов. Исаак Ньютон имел аналогичную точку зрения на природу света еще 200 лет назад в своей “теории истечения света”. Сейчас этим занимается квантовая оптика.

   

2. Явления, связанные с отражением света.

Алмазы и самоцветы 

В Кремле существует выставка алмазного фонда России.

В зале свет слегка приглушен. В витринах сверкают творения ювелиров. Здесь можно увидеть такие  алмазы, как “Орлов”, “Шах”, “Мария”, “Валентина Терешкова”.

Секрет прелестной игры света  в алмазах, заключается в том, что этот камень имеет высокий  показатель преломления (n=2,4173) и вследствие этого малый угол полного внутреннего  отражения (α=24˚30′) и обладает большей  дисперсией, вызывающей разложение белого света на простые цвета.

Кроме того, игра света в  алмазе зависит от правильности его  огранки. Грани алмаза многократно  отражают свет внутри кристалла. Вследствие большой прозрачности алмазов высокого класса свет внутри них почти не теряет своей энергии, а только разлагается  на простые цвета, лучи которых затем  вырываются наружу в различных, самых  неожиданных направлениях. При повороте камня меняются цвета, исходящие  из камня, и кажется, что сам он является источником многих ярких разноцветных лучей.

Встречаются алмазы, окрашенные в красный, голубоватый и сиреневый  цвета. Сияние алмаза зависит от его  огранки. Если смотреть сквозь хорошо ограненный водяно-прозрачный бриллиант  на свет, то камень кажется совершенно непрозрачным, а некоторые его  грани выглядят просто черными. Это  происходит потому, что свет, претерпевая  полное внутреннее отражение, выходит  в обратном направлении или в  стороны.

Если смотреть на верхнюю  огранку со стороны света, она  сияет многими цветами, а местами  блестит. Яркое сверкание верхних  граней бриллианта называют алмазным блеском. Нижняя сторона бриллианта снаружи кажется как бы посеребренной  и отливает металлическим блеском.

Наиболее прозрачные и  крупные алмазы служат украшением. Мелкие алмазы находят широкое применение в технике в качестве режущего или шлифующего инструмента для  металлообрабатывающих станков. Алмазами армируют головки бурильного инструмента  для проходки скважин в твердых  породах. Такое применение алмаза возможно из-за большой отличающей его твердости. Другие драгоценные камни в большинстве  случаев являются кристаллами окиси  алюминия с примесью окислов окрашивающих элементов – хрома (рубин), меди (изумруд), марганца (аметист). Они также отличаются твердостью, прочностью и обладают красивой окраской и “игрой света”. В настоящее время умеют получать искусственным путем крупные кристаллы окиси алюминия и окрашивать их в желаемый цвет.

Явления дисперсии света  объясняют многообразием красок природы. Целый комплекс оптических экспериментов с призмами в XVII веке провел английский ученый Исаак Ньютон. Эти эксперименты показали, что белый  свет не является основным, его надо рассматривать как составной (“неоднородный”); основными же являются различные  цвета (“однородные” лучи, или “монохроматические”  лучи). Разложение белого света на различные  цвета происходит по той причине, что каждому цвету соответствует  своя степень преломляемости. Эти  выводы, сделанные Ньютоном, согласуются  с современными научными представлениями.

 

3. Явления, связанные с преломлением света

Мираж

Некоторые виды миражей. Из большего многообразия миражей выделим несколько видов: “озерные” миражи, называемые также нижними миражами, верхние миражи, двойные и тройные миражи, миражи сверхдальнего видения.

Нижние (“озерные”) миражи возникают над сильно нагретой поверхностью. Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водой. Если нижние миражи наблюдают, как правило, в  пустынях и степях, то верхние наблюдают  в северных широтах.

Верхние миражи отличаются разнообразием. В одних случаях  они дают прямое изображение, в других случаях в воздухе появляется перевернутое изображение. Миражи могут  быть двойными, когда наблюдаются  два изображения, простое и перевернутое. Эти изображения могут быть разделены  полосой воздуха (одно может оказаться  над линией горизонта, другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг с другом. Иногда возникает еще одно – третье изображение.

Особенно удивительны  миражи сверхдальнего видения. К. Фламмарион в своей книге “Атмосфера”  описывает пример подобного миража: “Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить про мираж, который видели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жители города увидели в небе войско, и так  ясно, что можно было различить  костюмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится… Это  было утро сражения при Ватерлоо!”  Описанный мираж изображен в  виде цветной акварели одним из очевидцев. Расстояние от Ватерлоо до Вервье по прямой линии составляет более 100км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались  и на больших расстояниях –  до 1000км. “Летучего голландца” следует  отнести именно к таким миражам.

Объяснение нижнего (“озерного”) миража. Если воздух у самой поверхности  земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности  будет меньше, чем в более высоких  воздушных слоях. Изменение показателя преломления воздуха n с высотой h вблизи земной поверхности.

В соответствии с установленным  правилом, световые лучи вблизи поверхности  земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз. Пусть в точке A находится наблюдатель. Световой луч  от некоторого участка голубого неба попадет в глаз наблюдателя, испытав  указанное искривление. А это  означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода  не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет казаться, что он видит  воду, хотя на самом деле перед ним  изображение голубого неба. Если представить  себе, что у линии горизонта  находятся холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель увидит и  их перевернутыми, благодаря отмеченному  искривлению лучей, и воспримет  как отражения соответствующих  объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой “озерный” мираж.

Простые верхние миражи. Можно предположить, что воздух у  самой поверхности земли или  воды не нагрет, а, напротив, заметно  охлажден по сравнению с более  высокими воздушными слоями; изменение n с высотой h. Световые лучи в рассматриваемом  случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому  теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху как  бы висящими над линией горизонта. Поэтому  такие миражи называют верхними.

Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Прямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение. В этом можно убедится, рассмотрев гипотетический случай – показатель преломления на некоторой высоте h уменьшается скачком. Лучи объекта, прежде чем попасть к наблюдателю А испытывают полное внутреннее отражение от границы ВС ниже которой в данном случае находится более плотный воздух. Видно, что верхний мираж дает перевернутое изображение объекта. В действительности нет скачкообразной границы между слоями воздуха, переход совершается постепенно. Но если он совершается достаточно резко, то верхний мираж даст перевернутое изображение.

Мираж сверхдальнего видения. Природа этих миражей изучена  менее всего. Ясно, что атмосфера  должна быть прозрачной, свободной  от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха  на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Световой луч, попавший внутрь плотного холодного  слоя воздуха, как бы “запертым” внутри него и распространяется в нем  как по своеобразному световоду. Траектория луча на все время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областей воздуха.

Возникновение сверхдальних миражей можно объяснить распространением лучей внутри подобных “световодов”, которые иногда создает природа.

 

Радуга 

Радуга – это красивое небесное явление – всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще мало знали об окружающем мире, радугу считали “небесным  знамением”. Так, древние греки думали, что радуга – это улыбка богини Ириды.

Радуга наблюдается в  стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится  от наблюдателя на расстоянии 1-2 км, а иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями  воды.

Центр радуги находится на продолжении прямой, соединяющей  Солнце и глаз наблюдателя – на противосолнечной линии. Угол между  направлением на главную радугу и  противосолнечной линией составляет 41-42º.

В момент восхода солнца противосолнечная точка (точка М) находится  на линии горизонта, и радуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнца противосолнечная точка опускается под горизонт и размер радуги уменьшается. Она представляет собой лишь часть окружности.

Часто наблюдается побочная радуга, концентрическая с первой, с угловым радиусом около 52º и  обратным расположением цветов.

При высоте Солнца 41º главная  радуга перестает быть видимой и  над горизонтом выступает лишь часть  побочной радуги, а при высоте Солнца более 52º не видна и побочная радуга. Поэтому в средних экваториальных широтах в околополуденные часы это явление природы никогда не наблюдается.

У радуги различают семь основных цветов, плавно переходящих  один в другой.

Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капелек воды и их количества. Большие  капли создают более узкую  радугу, с резко выделяющимися  цветами, малые – дугу расплывчатую, блеклую и даже белую. Вот почему яркая узкая радуга видна летом  после грозового дождя, во время  которого падают крупные капли.

Впервые теория радуги была дана в 1637 году Рене Декартом. Он объяснил радугу, как явление, связанное с  отражением и преломлением света  в дождевых каплях.

Образование цветов и их последовательность были объяснены  позже, после разгадки сложной природы  белого света и его дисперсии  в среде. Дифракционная теория радуги разработана Эри и Партнером.

Можно рассмотреть простейший случай: пусть на капли, имеющих форму  шара, падает пучок параллельных солнечных лучей . Луч, падающий на поверхность капли в точке А, преломляется внутри нее по закону преломления:

n sin α=n sin β , где n=1, n≈1,33 –

соответственно показатели преломления воздуха и воды, α  – угол падения, а β – угол преломления света.

Внутри капли идет по прямой луч АВ. В точке В происходит частичное преломление луча и  частичное его отражение. Надо заметить, что , чем меньше угол падения в  точке В, а следовательно и  в точке А, тем меньше интенсивность  отраженного луча и тем больше интенсивность преломленного луча.

Луч АВ после отражения  в точке В происходит под углом  β`= β b попадает в точку С, где также  происходит частичное отражение  и частичное преломление света. Преломленный луч выходит из капли  под углом γ, а отраженный может пройти дальше, в точку D и т. д. Таким образом, луч света в капле претерпевает многократное отражение и преломление. При каждом отражении некоторая часть лучей света выходит наружу, и интенсивность их внутри капли уменьшается. Наиболее интенсивным из выходящих в воздух лучей является луч, вышедший из капли в точке В. Но наблюдать его трудно, так как он теряется на фоне ярких прямых солнечных лучей. Лучи же, преломленные в точке С, создают в совокупности на фоне темной тучи первичную радугу, а лучи, испытывающие преломление в точке D дают вторичную радугу, которая менее интенсивна, чем первичная.

При рассмотрении образования  радуги нужно учесть еще одно явление  – неодинаковое преломление волн света различной длины, то есть световых лучей разного цвета. Это явление  носит название дисперсии. Вследствие дисперсии углы преломления γ  и угла отклонения лучей Θ в  капле различны для лучей различной  окраски.

Чаще всего мы наблюдаем  одну радугу. Нередки случаи, когда  на небосводе появляются одновременно две радужные полосы, расположенные  одна за другой; наблюдают и еще  большее число небесных дуг –  три, четыре и даже пять одновременно. Это интересное явление наблюдали  ленинградцы 24 сентября 1948 года, когда  во второй половине дня среди туч  над Невой появились четыре радуги. Оказывается, что радуга может возникать  не только от прямых лучей; нередко  она появляется и в отраженных лучах Солнца. Это можно видеть на берегу морских заливов, больших  рек и озер. Три-четыре радуги –  обыкновенные и отраженные – создают  подчас красивую картину. Так как  отраженные от водной поверхности лучи Солнца идут снизу вверх, то радуга, образующаяся в лучах, может выглядеть иногда совершенно необычно.

Не следует думать, что  радугу можно наблюдать только днем. Она бывает и ночью, правда, всегда слабая. Увидеть такую радугу можно  после ночного дождя, когда из-за туч выглянет Луна.

Некоторой подобие радуги можно получить на таком опыте: Нужно  колбу, наполненную водой, осветить солнечным светом или лампой через отверстие в белой доске. Тогда на доске отчетливо станет видна радуга, причем угол расхождения лучей по сравнению с начальным направлением составит около 41-42°. В естественных условиях экрана нет, изображение возникает на сетчатке глаза, и глаз проецирует это изображение на облака.

Если радуга появляется вечером  перед заходом Солнца, то наблюдают  красную радугу. В последние пять или десять минут перед закатом  все цвета радуги, кроме красного, исчезают, она становится очень яркой  и видимой даже спустя десять минут  после заката.

Красивое зрелище представляет собой радуга на росе. Ее можно наблюдать  при восходе Солнца на траве, покрытой росой. Эта радуга имеет форму  гиперболы.

4. Полярные сияния

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние.

В большинстве случаев  полярные сияния имеют зеленый или  сине-зеленый оттенок с изредка  появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета.

Полярные сияния наблюдают  в двух основных формах – в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает  форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев  разбиться на пятна. Ленты как  бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или  драпировку, протянувшуюся обычно с  востока на запад на тысячи километров. Высота этого занавеса составляет несколько  сотен километров, толщина не превышает  нескольких сотен метров, причем так  нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно резко и отчетливо очерчен  и часто подкрашен в красный  или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний – постепенно теряется в высоте и это создает особенно эффектное впечатление глубины пространства.

Различают виды полярных сияний:

Однородная дуга – светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную  форму. Она более ярка снизу и  постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;

Лучистая дуга – лента  становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;

Лучистая полоса – с  ростом активности более крупные  складки накладываются на мелкие;

При повышении активности складки или петли расширяются  до огромных размеров, нижний край ленты  ярко сияет розовым свечением. Когда  активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что  однородная структура является основной формой полярного сияния, а складки  связаны с возрастанием активности.

Часто возникают сияния иного  вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень  интенсивными. Происходят они во время  увеличения солнечной активности. Эти  сияния представляются в виде беловато-зеленой  шапки. Такие сияния называют шквалами.

По яркости сияния разделяют  на четыре класса, отличающиеся друг от друга на один порядок (то есть в 10 раз). К первому классу относятся сияния, еле заметные и приблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же четвертого класса освещают Землю так  ярко, как полная Луна.

Надо отметить, что возникшее  сияние распространяется на запад со скоростью 1 км/сек. Верхние слои атмосферы  в области вспышек сияний разогреваются  и устремляются вверх, что сказалось  на усиленном торможении искусственных  спутников Земли, проходящих эти  зоны.

Во время сияний в атмосфере  Земли возникают вихревые электрические  токи, захватывающие большие области. Они возбуждают магнитные бури, так называемые дополнительные неустойчивые магнитные поля. Когда атмосфера сияет, она излучает рентгеновские лучи, являющиеся, скорей всего результатом торможения электронов в атмосфере.

Частые вспышки сияния практически всегда сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния оказывают большое  влияние на сильные изменения  в ионосфере, влияющие в свою очередь  на условия радиосвязи, т. е. радиосвязь сильно ухудшается, в результате чего возникают сильные помехи, или  даже полная потеря приема.

Возникновение полярных сияний.

Земля - это огромный магнит, северный полюс которого находится  вблизи южного географического полюса, а южный – вблизи северного. А  силовые линии магнитного поля Земли - это геомагнитные линии, выходящие  из области, прилегающей к северному  магнитному полюсу Земли. Они охватывают весь земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.

Считалось в течение длительного  периода времени, что расположение магнитных силовых линий симметрично  относительно земной оси. Но на самом  деле оказалось, что так называемый “солнечный ветер”, т. е. поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетает на геомагнитную оболочку Земли с  высоты около 20000 км. Он оттягивает ее в  сторону от Солнца, тем самым у  Земли образуется своеобразный магнитный  “хвост”.

Попавшие в магнитное  поле Земли, электрон или протон движутся по спирали, навиваясь на геомагнитную линию. Эти частицы, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части: одна часть  вдоль магнитных силовых линий  сразу стекает в полярные области  Земли, а другая - попадает внутрь тероида  и движется внутри него, как это  можно по правилу левой руки, вдоль  замкнутой кривой АВС. В конце  концов, эти протоны и электроны  по геомагнитным линиям также стекают  в область полюсов, где появляется их увеличенная концентрация. Протоны  и электроны производят ионизацию  и возбуждение атомов и молекул  газов. Для этого они обладают достаточной энергией. Поскольку протоны прилетают на Землю с энергиями 10000-20000эв (1эв= 1.6 10 дж), а электроны с энергиями 10-20эв. А для ионизации же атомов нужно: для водорода – 13,56 эв, для кислорода - 13,56 эв, для азота – 124,47 эв, для возбуждения же еще меньше.

По принципу того, как  это происходит в трубках с  разреженным газом при пропускании  через них токов, возбужденные атомы  газов отдают обратно полученную энергию в виде света.

Зеленое и красное свечение, по результатам спектрального исследования принадлежит возбужденным атомам кислорода, а инфракрасное и фиолетовое –  ионизованным молекулам азота. Некоторые  линии излучения кислорода и  азота образуются на высоте 110 км, а  красное свечение кислорода –  на высоте 200-400 км. Следующим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие в верхних  слоях атмосферы из протонов прилетевших  с Солнца. Такой протон, после  захвата электрона, превращается в  возбужденный атом водорода и дает излучение красным светом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используемая литература:

1. “Физика в природе”, автор - Л. В. Тарасов, издательство “Просвещение”, Москва, 1988 год.

2. “Оптические явления в природе”, автор - В. Л. Булат, издательство “Просвещение”, Москва, 1974 год.

3. “Беседы по физике, часть II” , автор - М. И. Блудов, издательство “Просвещение”, Москва, 1985 год.

4. “Физика 10”, авторы - Г. Я. Мякишев Б. Б. Буховцев, издательство “Просвещение”, Москва, 1987 год.

5. “Энциклопедический словарь юного физика”, составитель В. А. Чуянов, издательство “Педагогика”, Москва, 1984 год.

6. “Справочник школьника по физике”, составитель - , филологическое общество “Слово”, Москва, 1995 год.

7. “Физика 11”, Н. М. Шахмаев, С. Н. Шахмаев, Д. Ш. Шодиев, издательство “Просвещение”, Москва, 1991 год.

8. “Решение задач по физике”, В. А. Шевцов, Нижне-Волжское книжное издательство, Волгоград, 1999 год.