Реферат: Оптические явления в природе

Волгоградскаямуниципальная гимназия №1

Экзаменационнаяработа

пофизике на тему:

«Оптическиеявления в природе»

                           Выполнили

                           ученицы 9класса «Б»

                           Покусаева В.О.

                           Трубникова М.В.

2001год

План

1.  Введение

а)Что такое оптика?

б)Виды оптики

в)Роль оптики в развитии современной физики

2.  Явления, связанные с отражениемсвета

а)Предмет и его отражение

б)Зависимость коэффициента отражения от угла падения света

    в) Защитные стекла

    д) Полное отражение света

    е) Цилиндрический световод

    ж) Алмазы и самоцветы

3.  Явления, связанные спреломлением света

а)Мираж

б)Радуга

4. Полярные сияния

Введение

Что такое оптика?

   Первыепредставления древних ученых о свете были весьма наивны. Считалось, что из глазвыходят особые тонкие щупальцы и зрительные впечатления возникают приощупывании ими предметов. Тогда под оптикой понимали науку о зрении. Именнотакой точный смысл слова «оптика». В средние века оптика постепенно из науки озрении превратилась в науку о свете, этому способствовало изобретение линз икамеры-обскуры. В современное время оптика — это раздел физики, в которомисследуется испускание света, его распространение в различных средах ивзаимодействие с веществом. Что же касается вопросов, связанных со зрением,устройство и функционирование глаза, то они выделились в специальное научноенаправление, называемое физиологической оптикой.

Видыоптики

   Прирассмотрении многих оптических явлений можно пользоваться представлением осветовых лучах – геометрических линиях, вдоль которых распространяется световаяэнергия. В этом случае говорят о геометрической (лучевой) оптике.

  Геометрическая оптика широко используется в светотехнике и при рассмотрениидействий многочисленных приборов и устройств – начиная от лупы и очков и кончаясложнейшими оптическими микроскопами и телескопами.

   В начале XIX века развернулись интенсивные исследования открытых ранееявлений интерференции, дифракции и поляризации света. Эти явления не находилиобъяснения в рамках геометрической оптики, необходимо было рассматривать свет ввиде поперечных волн. Так возникла волновая оптика. Первоначально полагали, чтосвет  — это упругие волны в некоторой среде (мировом эфире), которая будто бызаполняет все мировое пространство.

   В 1864году английский физик Джеймс Максвелл создал электромагнитную теорию света,согласно которой волны света – это электромагнитные волны с соответствующимдиапазоном длин.

   Исследования,выполненные в начале XX века, показали, что дляобъяснения некоторых явлений, например фотоэффекта, необходимо представитьсветовой пучок в виде потока своеобразных частиц – световых квантов (фотонов).Еще 200 лет назад Исаак Ньютон придерживался аналогичной точки зрения наприроду света в своей «теории истечения света». Теперь представление о световыхквантах изучает квантовая оптика.

Рольоптики в развитии современной физики.

Роль оптикив развитии современной физики велика. Возникновение двух наиболее важных иреволюционных теорий двадцатого столетия (квантовой механики и теорииотносительности) в существенной мере связано с оптическими исследованиями.Оптические методы анализа вещества на молекулярном уровне породили специальноенаучное направление – молекулярную оптику. К ней тесно примыкает оптическаяспектроскопия, применяемая в современном материаловедении, при исследованияхплазмы, в астрофизике. Существуют также электронная и нейтронная оптики;созданы электронный микроскоп и нейтронное зеркало. Разработаны оптическиемодели атомных ядер.

Способствуяразвитию разных направлений современной физики, оптика в то же время и самапереживает сегодня период бурного развития. Основной толчок этому развитию далоизобретение интенсивных источников когерентного света – лазеров. В результатеволновая оптика поднялась на более высокую ступень, соответствующую когерентнойоптике. Трудно даже перечислить все новейшие научно-технические направления,развивающиеся благодаря появлению лазеров. Среди них нелинейная оптика,голография, радиооптика, пикосекундная оптика, адаптивная оптика и другие.Радиооптика возникла на стыке радиотехники и оптики; она исследует оптическиеметоды передачи и обработки информации. Эти методы обычно сочетают страдиционными электронными методами; в результате сложилось научно-техническоенаправление, называемое оптоэлектронникой. Передача световых сигналов подиэлектрическим волокнам составляет предмет волоконной оптики. Используядостижения нелинейной оптики, можно исправлять волновой фронт светового пучка,искажающийся при распространении света в той или иной среде, например ватмосфере или в воде. В результате возникла и интенсивно развивается такназываемая адоптивная оптика. К ней тесно примыкает зарождающаяся на нашихглазах фотоэнергетика, занимающаяся, в частности, вопросами эффективнойпередачи световой энергии по лучу света. Современная лазерная техника позволяетполучать световые импульсы длительностью порядка всего лишь пикосекунды. Такиеимпульсы оказываются уникальным «инструментом» для исследования целого рядабыстропротекающих процессов в веществе, и в частности в биологическихструктурах. Возникло и развивается специальное направление – пикосекунднаяоптика; к нему тесно примыкает фотобиология. Можно без преувеличения сказать,что широкое практическое использование достижений современной оптики –обязательное условие научно-технического прогресса. Оптика открылачеловеческому разуму дорогу в микромир, она же позволила ему проникнуть в тайнызвездных миров. Оптика охватывает все стороны нашей практической деятельности.

Явления,связанные с отражением света.

То,что отраженный в стоячей воде пейзаж не отличается от реального, а толькоперевернут «вверх ногами» далеко не так.

Есличеловек посмотрит поздним вечером, как отражаются в воде светильники или какотражается берег, спускающийся к воде, то отражение покажется ему укороченным исовсем «исчезнет», если наблюдатель находится высоко над поверхностью воды.Также никогда нельзя увидеть отражение верхушки камня, часть которого погруженав воду.

Пейзажвидится наблюдателю таким, как если бы на него смотрели из точки, находящейсяна столько глубже поверхности воды, насколько глаз наблюдателя находится вышеповерхности. Разница между пейзажем и его изображением уменьшается по мереприближения глаза к поверхности воды, а так же по мере удаления объекта.

Частолюдям кажется, что отражение в пруду кустов и деревьев отличается большейяркостью красок и насыщенностью тонов. Эту особенность также можно заметить,наблюдая отражение предметов в зеркале. Здесь большую роль играетпсихологическое восприятие, чем физическая сторона явления. Рама зеркала,берега пруда ограничивают небольшой участок пейзажа, ограждая боковое зрениечеловека от избыточного рассеянного света, поступающего со всего небосвода иослепляющего наблюдателя, то есть он смотрит на небольшой участок пейзажа какбы через темную узкую трубу. Уменьшение яркости отраженного света по сравнениюс прямым облегчает людям наблюдение неба, облаков и других яркоосвещенныхпредметов, которые при прямом наблюдении оказывается слишком ярким для глаза.

Зависимостькоэффициентаотражения отугла падения света.

Награнице двух прозрачных сред свет частично отражается, частично проходит вдругую среду и преломляется, частично поглощается средой. Отношение отраженнойэнергии к падающей называют коэффициентом отражения. Отношение энергии света,прошедшего через вещество, к энергии падающего света называют коэффициентомпропускания.

Коэффициентыотражения и пропускания зависят от оптических свойств, граничащих между собойсред и угла падения света. Так, если свет падает на стеклянную пластинкуперпендикулярно (угол падения α=0), то отражается всего лишь 5% световойэнергии, а 95% проходит через границу раздела. При увеличении угла падения доляотраженной энергии возрастает. При угле падения α=90˚ она равнаединице.

Зависимостьинтенсивности отраженного и проходящего через стеклянную пластинку света можнопроследить, располагая пластинку под различными углами к световым лучам иоценивая интенсивность на глаз.

Интереснотакже оценить на глаз интенсивность света, отраженного от поверхности водоема,в зависимости от угла падения, пронаблюдать отражение солнечных лучей от окондома при различных углах падения днем, при закате, восходе светила.

Защитныестекла

Обычныеоконные стекла частично пропускают тепловые лучи. Это хорошо для использованияих в северных районах, а также для парников. На юге же помещения настолькоперегреваются, что работать в них тяжело. Защита от Солнца сводится либо кзатемнению здания деревьями, либо к выбору благоприятной ориентации здания приперестройке. И то и другое иногда бывает затруднительным и не всегдавыполнимым.

Длятого чтобы стекло не пропускало тепловые лучи, его покрывают тонкимипрозрачными пленками окислов металлов. Так, оловянно-сурьмяная  пленка непропускает более половины тепловых лучей, а покрытия содержащие окись железа,полностью отражают ультрафиолетовые лучи и 35-55% тепловых.

Растворыпленкообразующих солей наносят из пульверизатора на горячую поверхность стеклаво время его тепловой обработки или формования. При высокой температуре солипереходят в окиси, крепко связанные с поверхностью стекла.

Подобнымобразом изготовляют стекла для светозащитных очков.

Полноевнутреннее отражение света

Красивоезрелище представляет собой фонтан, у которого выбрасываемые струи освещаютсяизнутри. Это можно изобразить в обычных условиях, проделав следующий опыт (рис. 1). В высокой консервнойбанке на высоте 5 см от дна надо просверлить круглое отверстие (а)диаметром 5-6 мм. Электрическую лампочку с патроном надо аккуратно обернутьцеллофановой бумагой и расположить ее напротив отверстия. В банку надо налитьводы. Открыв отверстие а, получим струю, которая будет освещена изнутри. В темнойкомнате она ярко светится и опят выглядит очень эффектно. Струе можно придатьлюбую окраску, поместив на пути лучей света цветное стекло б. Если на пути струи подставитьпалец, то вода разбрызгивается и эти капельки ярко светятся.

Объяснениеэтого явления довольно простое. Луч света проходит вдоль струи воды и попадаетна изогнутую поверхность под углом, большим предельного, испытывает полноевнутреннее отражение, а затем опять попадает на противоположную сторону струипод углом опять больше предельного. Так луч проходит вдоль струи изгибаясьвместе с ней.

Ноесли бы свет полностью отражался внутри струи, то она не была бы видна извне.Часть света рассеивается водой, пузырьками воздуха и различными примесями,имеющимися в ней, а также вследствие неровностей поверхности струи, поэтому онавидна снаружи.

Цилиндрическийсветовод

Еслинаправить световой пучок в один торец сплошного стеклянного изогнутогоцилиндра, можно заметить, что свет будет выходить из его другого торца (рис. 2); через боковую поверхностьцилиндра свет почти не выходит. Прохождение света по стеклянному цилиндруобъясняется тем, что, падая на внутреннюю поверхность цилиндра под углом,больше предельного, свет многократно испытывает полное отражение и достигаетконца.

Чемтоньше цилиндр, тем чаще будут происходить отражения луча и тем большая частьсвета будет падать на внутреннюю поверхность цилиндра под углами, большимипредельного.

Алмазыи самоцветы

ВКремле существует выставка алмазного фонда России.

Взале свет слегка приглушен. В витринах сверкают творения ювелиров. Здесь можноувидеть такие алмазы, как «Орлов», «Шах», «Мария», «Валентина Терешкова».

Секретпрелестной игры света в алмазах, заключается в том, что этот камень имеетвысокий показатель преломления (n=2,4173) ивследствие этого малый угол полного внутреннего отражения(α=24˚30′) и обладает большей дисперсией, вызывающей разложениебелого света на простые цвета.

Крометого, игра света в алмазе зависит от правильности его огранки. Грани алмазамногократно отражают свет внутри кристалла. Вследствие большой прозрачностиалмазов высокого класса свет внутри них почти не теряет своей энергии, а толькоразлагается на простые цвета, лучи которых затем вырываются наружу в различных,самых неожиданных направлениях. При повороте камня меняются цвета, исходящие изкамня, и кажется, что сам он является источником многих ярких разноцветныхлучей.

Встречаютсяалмазы, окрашенные в красный, голубоватый и сиреневый цвета. Сияние алмазазависит от его огранки. Если смотреть сквозь хорошо ограненныйводяно-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 встороны.

Еслисмотреть на верхнюю огранку со стороны света, она сияет многими цветами, аместами блестит. Яркое сверкание верхних граней бриллианта называют алмазнымблеском. Нижняя сторона бриллианта снаружи кажется как бы посеребренной иотливает металлическим блеском.

Наиболеепрозрачные и крупные алмазы служат украшением. Мелкие алмазы находят широкоеприменение в технике в качестве режущего или шлифующего инструмента дляметаллообрабатывающих станков. Алмазами армируют головки бурильного инструментадля проходки скважин в твердых породах. Такое применение алмаза возможно из-забольшой отличающей его твердости. Другие драгоценные камни в большинствеслучаев являются кристаллами окиси алюминия с примесью окислов окрашивающихэлементов – хрома (рубин), меди (изумруд), марганца (аметист). Они такжеотличаются твердостью, прочностью и обладают красивой окраской и «игрой света».В настоящее время умеют получать искусственным путем крупные кристаллы окисиалюминия и окрашивать их в желаемый цвет.

Явлениядисперсии света объясняют многообразием красок природы. Целый комплексоптических экспериментов с призмами в XVII векепровел английский ученый Исаак Ньютон. Эти эксперименты показали, что белыйсвет не является основным, его надо рассматривать как составной («неоднородный»);основными же являются различные цвета («однородные» лучи, или«монохроматические» лучи). Разложение белого света на различные цветапроисходит по той причине, что каждому цвету соответствует своя степеньпреломляемости. Эти выводы, сделанные Ньютоном, согласуются с современныминаучными представлениями.

Нарядус дисперсией коэффициента преломления наблюдается дисперсия коэффициентовпоглощения, пропускания и отражения света. Этим объясняются разнообразныеэффекты при освещении тел.  Например, если имеется какое-то прозрачное длясвета тело, у которого для красного света коэффициент пропускания велик, акоэффициент отражения мал, для зеленого же света наоборот: коэффициентпропускания мал, а коэффициент отражения велик, тогда в проходящем свете тело будетказаться красным, а в отраженном свете – зеленым. Такими свойствами обладает,например, хлорофилл – зеленое вещество, содержащееся в листьях растений иобуславливающее зеленый цвет. Раствор хлорофилла в спирту при рассматривании напросвет оказывается красным. В отраженном свете этот же раствор выглядитзеленым.

Еслиу какого-то тела коэффициент поглощения велик, а коэффициенты пропускания иотражения малы, то такое тело будет казаться черным и непрозрачным (например,сажа). Очень белое, непрозрачное тело (например, окись магния) имееткоэффициент отражения близкий к единице для всех длин волн, и очень малыекоэффициенты пропускания и поглощения. Вполне прозрачное для света тело(стекло) имеет малые коэффициенты отражения и поглощения и близкий к единицы длявсех длин волн коэффициент пропускания. У окрашенного стекла для некоторых длинволн коэффициенты пропускания и отражения практически равны нулю и,соответственно, значение коэффициента поглощения для этих же длин волн близко кединице.

Явления,связанные с преломлением света

Мираж

Некоторыевиды миражей. Избольшего многообразие 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 мираживозникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например над холоднойводой. Если нижние миражи наблюдают, как правило, в пустынях и степях, товерхние наблюдают в северных широтах.

Верхниемиражи отличаются разнообразием. В одних случаях они дают прямое изображение, вдругих случаях в воздухе появляется перевернутое изображение. Миражи могут бытьдвойными, когда наблюдаются два изображения, простое и перевернутое. Этиизображения могут быть разделены полосой воздуха (одно может оказаться надлинией горизонта, другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг сдругом. Иногда возникает еще одно -  третье изображение.

Особенноудивительны миражи сверхдальнего видения. К. Фламмарион в своей книге«Атмосфера» описывает пример подобного миража: «Опираясь на свидетельстванескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить  про мираж, которыйвидели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жители городаувидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить костюмыартиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вототвалится… Это было утро сражения при Ватерлоо!»  Описанный мираж изображен ввиде цветной акварели одним из очевидцев. Расстояние от Ватерлоо до Вервье попрямой линии составляет более 100км. Известны случаи, когда подобные миражинаблюдались и на больших расстояниях – до 1000км. «Летучего голландца» следуетотнести именно к таким миражам.

Объяснениенижнего («озерного») миража. Есливоздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотностьотносительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем вболее высоких воздушных слоях. Изменение показателя преломления воздуха n с высотой h вблизи земной поверхности длярассматриваемого случая показано на рисунке 3, а.

Всоответствии с установленным правилом, световые лучи вблизи поверхности землибудут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостьювниз. 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 увидитсоответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будетказаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубогонеба. Если представить себе, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы илииные объекты, то наблюдатель увидит и их перевернутыми, благодаря отмеченномуискривлению лучей, и воспримет как отражения соответствующих объектов внесуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой «озерный»мираж.

Простыеверхние миражи. Можнопредположить, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а,напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями;изменение nс высотой h показано на рисунке 4, а.Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траекторияобращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты,скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху как бы висящиминад линией горизонта. Поэтому такие миражи называют верхними.

Верхниймираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Показанное нарисунке   прямое изображение возникает, когда показатель преломления  воздухауменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателяпреломления образуется перевернутое изображение. В этом можно убедится,рассмотрев гипотетический случай – показатель преломления на некоторой высоте h  уменьшается скачком (рис. 5).Лучи  объекта, прежде чем попасть к наблюдателю А испытывают полное внутреннееотражение от границы ВС ниже которой в данном случае находится более плотныйвоздух. Видно, что верхний мираж дает перевернутое изображение объекта. Вдействительности нет скачкообразной границы между слоями воздуха, переходсовершается постепенно. Но если он совершается достаточно резко, то верхниймираж даст перевернутое изображение (рис.  5).

Двойныеи тройные миражи. Еслипоказатель преломления воздуха изменяется сначала быстро, а затем медленно, тов этом случае лучи в области Iбудут искривлятьсябыстрее, чем в области II.В результатевозникают два изображения (рис. 6, 7). Световые лучи 1, распространяющиеся впределах воздушной области I,формируютперевернутое изображение объекта. Лучи 2, распространяющиеся в основном впределах области II,искривляются вменьшей степени и формируют прямое изображение.

Чтобыпонять как появляется тройной мираж, нужно представить три последовательныйвоздушные области: первая (у самой поверхности), где показатель преломленияуменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломленияуменьшается быстро, и третья область, где показатель преломления снова уменьшаетсямедленно. На рисунке   представлено рассматриваемое изменение показателяпреломления с высотой. На рисунке    показано, как возникает тройной мираж.Лучи 1 формируют нижнее изображение объекта, они распространяются в пределахвоздушной области I. Лучи 2 формируют перевернутое изображение; попадаю ввоздушную область II, эти лучи испытывают сильное искривление. Лучи 3 формируютверхнее прямое изображение объекта.

Миражсверхдальнего видения. Природаэтих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть прозрачной,свободной от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен образоватьсяустойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностьюземли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым.  Световой луч,попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, как бы “запертым” внутри негои распространяется в нем как по своеобразному световоду. Траектория луча нарисунке 8 все время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областейвоздуха.

Возникновениесверхдальних миражей можно объяснить распространением лучей внутри подобных«световодов», которые иногда создает природа.

                    Радуга

Радуга – это красивое небесноеявление – всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда людиеще мало знали об окружающем мире, радугу считали «небесным знамением».  Так,древние греки думали, что радуга — это улыбка богини Ириды.

Радуганаблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков илидождя. 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.

Центррадуги находится на продолжении прямой, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя –на противосолнечной линии. Угол между направлением на главную радугу ипротивосолнечной линией составляет 41-42º(рис. 9).

Вмомент восхода солнца противосолнечная точка (точка М) находится на линиигоризонта и радуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнцапротивосолнечная точка опускается под горизонт и размер радуги уменьшается. Онапредставляет собой лишь часть окружности.

Частонаблюдается побочная радуга, концентрическая с первой, с угловым радиусом около52º и обратным расположением цветов.

Привысоте Солнца 41º главная радуга перестает быть видимой и над горизонтомвыступает лишь часть побочной радуги, а при высоте Солнца более 52º невидна и побочная радуга. Поэтому в средних экваториальных широтах воколополуденные часы это явление природы никогда не наблюдается.

Урадуги различают семь основных цветов, плавно переходящих один в другой.

Виддуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капелек воды и ихколичества. Большие капли создают более узкую радугу, с резко выделяющимисяцветами, малые – дугу расплывчатую, блеклую и даже белую. Вот почему яркаяузкая радуга видна летом после грозового дождя, во время которого падаюткрупные капли.

Впервыетеория радуги была дана в 1637 году Рене Декартом. Он объяснил радугу, какявление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых каплях.

Образованиецветов и их последовательность были объяснены позже, после разгадки сложнойприроды белого света и его дисперсии в среде. Дифракционная теория радугиразработана Эри и Партнером.

Можнорассмотреть простейший случай: пусть на капли, имеющих форму шара, падает пучокпараллельных солнечных лучей (рис. 10). Луч, падающий на поверхность капли вточке А, преломляется внутри нее по закону преломления:

n sin α=n sinβ, где n=1, n≈1,33 –

соответственнопоказатели преломления воздуха и воды, α – угол падения, а β – уголпреломления света.

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

ЛучАВ после отражения в точке В происходит под углом β`=β b попадает в точку С, где такжепроисходит частичное отражение и частичное преломление света. Преломленный лучвыходит из капли под углом γ, а отраженный может пройти дальше, в точку D и т. д. Таким образом, лучсвета в капле претерпевает многократное отражение и преломление. При каждомотражении некоторая часть лучей света  выходит наружу и интенсивность их внутрикапли уменьшается. Наиболее интенсивным из выходящих в воздух лучей являетсялуч, вышедший из капли в точке В. Но наблюдать его трудно, так как он теряетсяна фоне ярких прямых солнечных лучей. Лучи же, преломленные в точке С, создаютв совокупности на фоне темной тучи первичную радугу, а лучи, испытывающиепреломление в точке D дают вторичную радугу, котораяменее интенсивна, чем первичная.

Прирассмотрении образования радуги нужно учесть еще одно явление – неодинаковое преломлениеволн света различной длины, то есть световых лучей разного цвета. Это явлениеносит название дисперсии. Вследствие дисперсии углы преломления γ и углаотклонения лучей Θ в капле различны для лучей различной окраски.

Чащевсего мы наблюдаем одну радугу. Нередки случаи, когда на небосводе появляютсяодновременно две радужные полосы, расположенные одна за другой; наблюдают и ещебольшее число небесных дуг – три, четыре и даже пять одновременно. Этоинтересное явление наблюдали ленинградцы 24 сентября 1948 года, когда во второйполовине дня среди туч над Невой появились четыре радуги. Оказывается, чторадуга может возникать не только от прямых лучей; нередко она появляется и вотраженных лучах Солнца. Это можно видеть на берегу морских заливов, большихрек и озер. Три-четыре радуги – обыкновенные и отраженные – создают подчаскрасивую картину. Так как отраженные от водной поверхности лучи Солнца идутснизу вверх, то радуга образующаяся в лучах, может выглядеть иногда совершеннонеобычно.

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

Некоторойподобие радуги можно получить на таком опыте: Нужно колбу, наполненную водой, осветитьсолнечных светом или лампой через отверстие в белой доске. Тогда на доскеотчетливо станет видна радуга, причем угол расхождения лучей по сравнению сначальным направлением составит около 41-42°. В естественных условиях экрананет, изображение возникает на сетчатке глаза, и глаз проецирует это изображениена облака.

Еслирадуга появляется вечером перед заходом Солнца, то наблюдают красную радугу. Впоследние пять или десять минут перед закатом все цвета радуги, кроме красного,исчезают, она становится очень яркой и видимой даже спустя десять минут послезаката.

Красивоезрелище представляет собой радуга на росе. Ее можно наблюдать при восходеСолнца на траве, покрытой росой. Эта радуга имеет форму гиперболы.

Полярныесияния

Однимиз красивейших оптических явлений природы является полярное сияние.

Вбольшинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый оттенок сизредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета.

Полярныесияния наблюдают в двух основных формах – в виде лент и в виде облакоподобныхпятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает форму лент. Теряяинтенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успевразбиться на пятна.  Ленты как бы висят в темном пространстве неба, напоминаягигантский занавес или драпировку, протянувшуюся обычно с востока на запад натысячи километров. Высота этого занавеса составляет несколько сотен километров,толщина не превышает нескольких сотен метров, причем так нежен и прозрачен, чтосквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно резко и отчетливоочерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоминающий каймузанавеса, верхний – постепенно теряется в высоте и это создает особенноэффектное впечатление глубины пространства.

Различаютчетыре типа полярных сияний:

Однороднаядуга – светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она болееярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба ;

Лучистаядуга – лента становится несколько более активной и подвижной, она образуетмелкие складки и струйки;

Лучистаяполоса – с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие;

Приповышении активности складки или петли расширяются до огромных размеров, нижнийкрай ленты ярко сияет розовым свечением. Когда активность спадает, складкиисчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, чтооднородная структура является основной формой полярного сияния, а складкисвязаны с возрастанием активности.

Частовозникают сияния иного вида. Они захватывают весь полярный район и оказываютсяочень интенсивными. Происходят они во время увеличения солнечной активности.Эти сияния представляются в виде беловато-зеленой шапки. Такие сияния называютшквалами.

Пояркости сияния разделяют на четыре класса, отличающиеся друг от друга на одинпорядок (то есть в 10 раз). К первому классу относятся сияния, еле заметные иприблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же четвертого классаосвещают Землю так ярко, как полная Луна.

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

Вовремя сияний в атмосфере Земли возникают вихревые электрические токи,захватывающие большие области. Они возбуждают дополнительные неустойчивыемагнитные поля, так называемые магнитные бури. Во время сияний атмосфераизлучает рентгеновские лучи, которые, по-видимому, являются результатомторможения электронов в атмосфере.

Интенсивныевспышки сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярныесияния вызывают сильные изменения в ионосфере, что в свою очередь влияет наусловия радиосвязи. В большинстве случаев радиосвязь значительно ухудшается.Возникают сильные помехи, а иногда полная потеря приема.

Каквозникают полярные сияния. Земляпредставляет собой огромный магнит, южный полюс которого находится вблизисеверного географического полюса, а северный — вблизи южного. Силовые линиимагнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области,прилегающей к северному магнитному полюсу Земли, охватывает земной шар и входятв него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокругЗемли.

Долгосчиталось, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительноземной оси. Теперь выяснилось, что так называемый «солнечный ветер» – потокпротонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетаю на геомагнитную оболочкуЗемли с высоты около 20000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца,образуя у Земли своеобразный магнитный «хвост».

Электронили протон, попавшие в магнитное поле Земли, движутся по спирали, как бынавиваясь на геомагнитную линию. Электроны и протоны, попавшие из солнечноговетра в магнитное поле Земли, разделяются на две части. Часть из них вдольмагнитных силовых линий сразу стекает в полярные области Земли; другие попадаютвнутрь тероида и движутся внутри него, как это можно по правилу левой руки, вдользамкнутой кривой АВС. Эти протоны и электроны в конце концов по геомагнитнымлиниям также стекают в область полюсов, где возникает их увеличеннаяконцентрация. Протоны и электроны производят ионизацию и возбуждение атомов имолекул газов. Для этого они имеют достаточно энергии, так как протоныприлетают на Землю с энергиями 10000-20000эв (1эв= 1.6 10   дж), а электроны сэнергиями 10-20эв. Для ионизации же атомов нужно: для водорода – 13,56 эв, длякислорода  — 13,56 эв, для азота – 124,47 эв, а для возбуждения еще меньше.

Возбужденныеатомов газов отдают обратно полученную энергию в виде света, наподобие того,как это происходит в трубках с разреженным газом при пропускании через нихтоков.

Спектральноеисследование показывает, что зеленое и красное свечение принадлежитвозбужденным атомам кислорода, инфракрасное и фиолетовое – ионизованныммолекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода и азота образуются навысоте 110 км, а красное свечение кислорода – на высоте 200-400 км. Другимслабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие вверхних слоях атмосферы из протонов прилетевших с Солнца. Захватив электрон,такой протон превращается в возбужденный атом водорода и излучает красный свет.

Вспышкисияний происходят обычно через день-два после вспышек на Солнце. Этоподтверждает связь между этими явлениями. Исследование при помощи ракетпоказало, что в местах большей интенсивности сияний имеется более значительнаяионизация газов электронами.

Впоследнее время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны уберегов океанов и морей.

Нонаучное объяснение всех явлений, связанных с полярными сияниями, встречает рядтрудностей. Например, неизвестен точно механизм ускорения частиц до указанныхэнергий, не вполне ясны их траектории в околоземном пространстве, не всесходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбуждения частиц,не вполне ясен механизм образования свечения различных видов, неяснопроисхождение звуков.

Литература:

1. «Физика вприроде», автор — Л. В. Тарасов, издательство «Просвещение», Москва, 1988 год.

2.  «Оптическиеявления в природе», автор — В. Л. Булат, издательство «Просвещение», Москва,1974 год.

3. «Беседы пофизике, частьII», автор — М. И. Блудов, издательство«Просвещение», Москва, 1985 год.

4. «Физика10», авторы — Г. Я. Мякишев Б. Б. Буховцев, издательство «Просвещение», Москва,1987 год.

5. «Энциклопедическийсловарь юного физика», составитель В. А. Чуянов, издательство «Педагогика»,Москва, 1984 год.

6. «Справочникшкольника по физике», составитель —, филологическое общество «Слово», Москва,1995 год.

7. «Физика11», Н. М. Шахмаев, С. Н. Шахмаев, Д. Ш. Шодиев, издательство «Просвещение»,Москва, 1991 год.

8. «Решениезадач по физике», В. А. Шевцов, Нижне-Волжское книжное издательство, Волгоград,1999 год.