ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ Автор работы : Смирнова Ирина Игоревна Учитель физики ГБОУ СОШ 87 Петроградского района Санкт – Петербурга, 2013 г. - презентация

1 ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ Автор работы : Смирнова Ирина Игоревна Учитель физики ГБОУ СОШ 87 Петроградского района Санкт – Петербурга, 2013 г

2 СОДЕРЖАНИЕ : РАДУГА ЗЕЛЕНЫЙ ЛУЧ ГАЛО ЗАКАТ ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ МИРАЖ КРАСНАЯ ЛУНА ВЕНЦЫ РЕФРАКЦИЯ СВЕТА В АТМОСФЕРЕ

3 радуга

4 Схема образования радуги 1. Сферическая капля 2. Внутреннее отражение 3. Первичная радуга 4. Преломление 5. Вторичная радуга 6. Входящий луч света 7. Ход лучей при формиро - вании первичной радуги 8. Ход лучей при формиро - вании вторичной радуги 9. Наблюдатель Область формирования радуги

5 Радуга возникает в результате преломлений и отражений световых лучей в капле дождя, спектральное разложение появляется благодаря явлению дисперсии Наблюдатель видит радугу в стороне, противоположной солнцу Положение радуги по отношению к ландшафту зависит от положения наблюдателя по отношению к солнцу, угловые размеры радуги определяются высотой солнца над горизонтом

6 Зеленый луч

7 Эффект зеленого луча можно увидеть, когда солнечный диск почти весь ушел за горизонт, в ясную и тихую погоду при чистом воздухе ( рассеяние света минимально ) Лучи с более высокой частотой преломляются сильнее и претерпевают более сильную рефракцию, рефракция света в атмосфере приподнимает над горизонтом зеленый диск в большей степени, чем красный

8 гало

9 Причина возникновения : преломление света в ледяных кристалликах и отражение от их граней Гало наблюдается на фоне перисто - слоистых облаков, состоящих из мелких ледяных кристалликов Для наблюдения колец гало нужно повернуться лицом к солнцу

10 Гал ó – оптическое явление, заключающееся в образовании светящегося кольца вокруг источника света. Термин произошёл от фр. halo и греч. halos – « световое кольцо ». Гало обычно возникают вокруг Солнца или Луны, иногда – вокруг других мощных источников света, таких как уличные огни. Они вызваны преимущественно отражением и преломлением света ледяными кристаллами в перистых облаках и туманах. Для возникновения некоторых гало необходимо, чтобы ледяные кристаллы, имеющие форму шестигранных призм, были ориентированы по отношению к вертикали одинаковым или хотя бы преимущественным образом. Отражённый и преломлённый ледяными кристаллами свет нередко разлагается в спектр, что делает гало похожим на радугу, однако гало в условиях низкой освещённости имеет малую цветность. Окрашенные гало образуются при преломлении света в шестигранных кристаллах ледяных облаков ; неокрашенные ( бесцветные ) формы – при его отражении от граней кристаллов. Иногда в морозную погоду гало образуется очень близко к земной поверхности. В этом случае кристаллы напоминают сияющие драгоценные камни. Вид наблюдаемого гало зависит от формы и расположения кристаллов. Наиболее обычные формы гало : радужные круги вокруг диска Солнца или Луны ; паргелии, или « ложные Солнца », – слегка окрашенные светлые пятна на одном уровне с Солнцем справа и слева от него ; паргелический круг – белый горизонтальный круг, проходящий через диск светила ; столб – часть белого вертикального круга, проходящего через диск светила ; он в сочетании с паргелическим кругом образует белый крест.

11 закат

12 Причина красного цвета заходящего солнца ( голубого цвета дневного неба ) – рассеяние солнечного света в земной атмосфере Глядя на дневное небо, наблюдатель воспринимает свет, рассеянный в атмосфере. Глядя на заходящее солнце, наблюдатель воспринимает свет, прошедший через атмосферу без рассеяния В тихую погоду закат - золотистый, в ветреную - багровый

13 Чем ближе опускается Солнце к горизонту, тем больше ослабляются его лучи ( см. рисунок ). На рисунке наблюдатель находится на Земле в точке О. Если Солнце в зените, то есть вертикально над головой, то его лучи проходят в атмосфере путь АО. По мере опускания Солнца к горизонту путь его лучей будет увеличиваться и достигнет максимальной длины ( ЕО ), когда Солнце окажется на горизонте. Длина пути, проходимого солнечными лучами в атмосфере, при разных зенитных расстояниях Солнца На длинном пути потери коротковолновых, то есть фиолетовых и синих, лучей становятся все более заметными, и в прямом свете Солнца до поверхности Земли доходят преимущественно длинноволновые лучи : красные, оранжевые, жёлтые. Поэтому цвет Солнца по мере его опускания к горизонту становится сначала жёлтым, затем оранжевым и красным. Красный цвет Солнца и голубой цвет неба – это два следствия одного и того же процесса рассеяния.

14 В 1869 году английский физик Дж. Тиндаль выполнил следующий опыт : через прямоугольный аквариум, заполненный водой, пропустил слабо расходящийся узкий пучок белого света. Какой оттенок ( голубой или красный ) будет иметь пучок при рассмотрении его с выходного торца ? Ответ поясните.

15 ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ

16 Полярное сияние – это люминесцентное свечение, возникающее в результате взаимодействия летящих от Солнца заряженных частиц ( электронов и протонов ) с молекулами земной атмосферы Полярные сияния возникают наиболее часто в областях, окружающих магнитные полюса Земли При повышении солнечной активности размеры зоны сияний и их интенсивность значительно увеличиваются

17 Многолетние наблюдения показали, что периоды максимальной частоты полярных сияний регулярно повторяются через промежутки в 11,5 лет. В течение каждого такого промежутка количество полярных сияний сначала от года к году убывает, а затем начинает возрастать, чтобы через 11,5 лет достигнуть максимума. Оказалось, что также периодически, с периодом 11,5 лет, меняется форма и положение тёмных пятен на солнечном диске. При этом в годы максимума солнечных пятен, или, как говорят, в годы максимальной солнечной активности, максимума достигает и количество полярных сияний. Такую же периодичность имеет и количество магнитных бурь, оно тоже достигает максимума в годы с наибольшей солнечной активностью. Сопоставляя эти факты, учёные пришли к выводу, что пятна на Солнце являются теми местами, откуда с огромной скоростью выбрасываются в пространство потоки заряженных частиц – электронов. Попадая в верхние слои нашей атмосферы, электроны, обладающие большой энергией, ионизируют составляющие её газы и заставляют их светиться. Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, подходя к Земле, попадают в земное магнитное поле. На движущиеся в магнитном поле электроны действует сила Лоренца, которая отклоняет их от первоначального направления движения. Было показано, что заряженные частицы, отклоняемые магнитным полем Земли, могут попадать только в приполярные области земного шара. Эта теория хорошо согласуется с большим количеством фактов и является в

18 МИРАЖ

19 Возникновение миражей связано с земной рефракцией Миражи могут возникать либо над сильно нагретой поверхностью, либо над охлажденной ( например, над холодной водой )

20 Мираж – оптическое явление, возникающее в результате искривления хода световых лучей в неравномерно нагретых слоях воздуха. Мираж можно наблюдать не только в жарких пустынях, но и в холодной Арктике. В зависимости от расположения слоёв воздуха с разной температурой миражи бывают двух типов : нижние и верхние. Нижним называется мираж, который появляется, если у поверхности земли образуется слой более горячего воздуха. Чаще всего они возникают в пустыне, но бывают и в средней полосе. Если мы посмотрим на асфальт жарким летним днём, то иногда увидим небольшие « лужи », которые возникают в мареве на шоссе. Это и есть нижний мираж. Рассмотрим, как же он возникает. Нагретый воздух имеет более низкую плотность, чем холодный, а коэффициент преломления воздуха сильно зависит от его плотности. Поэтому отдельные слои мы можем рассматривать как плоскопараллельные пластинки с разным показателем преломления. Световой луч, проходящий через такие пластинки, распространяется не по прямой, а отклоняется в сторону более плотного слоя ( рис. 1). Рис. 1 Нижние миражи дают возможность увидеть кусочек неба, и это вызывает иллюзию водной глади, в которой отражается голубое небо. Путешественники в пустыне видят иногда точно такие же « озёра » и думают, что это спасительный водоём ( рис. 2). В Арктике можно увидеть верхние миражи, которые образуются над поверхностью Северного Ледовитого океана. Вода в нём, как правило, не прогревается выше 8 ° С, а воздух, принесённый с континента, может иметь температуру +30 ° С. Поэтому слои расположены иначе : холодный воздух – внизу, а тёплый – наверху. Такое положение более стабильно : холодный воздух тяжелее и не стремится подняться вверх. Лучи при переходе из тёплого слоя в холодный слой отклоняются вниз. В итоге, мы начинаем видеть гораздо дальше, горизонт от нас отодвигается, как будто Земля становится более плоской. Чем больше разница температур между слоями, тем сильнее лучи отклоняются от прямолинейной траектории. При очень большом отклонении видимый горизонт будет располагаться гораздо выше реального, и если там есть острова или льды, то Земля и вовсе будет напоминать блюдце с поднятыми краями. Если же образуются чередующиеся слои разных температур, то миражи получаются слоистыми, причём каждый второй мираж оказывается перевёрнутым, как будто отражённым в зеркале. История знает немало случаев, когда верхние миражи были причиной географических открытий. Так, например, некоторые историки считают, что плавание скандинавских викингов из Исландии в Гренландию в 982 году и плавание из Гренландии в Северную Америку были вызваны верхними миражами. Изменив ход лучей, они сделали видимыми горы, невидимые в обычном состоянии, и побудили к дальнему плаванию.

21 Красная луна

22 Явление « красной луны » представляет собой особый вид лунного затмения. Попадая в тень Земли, Луна должна каждый раз исчезать из виду. В действительности солнечные лучи, касательные к поверхности земного шара, пронизывая атмосферу, рассеиваются и попадают в тень Земли. Сквозь толщу воздуха лучше всего проходят красные и оранжевые лучи, они - то и окрашивают диск Луны в багровый, кирпичный или медный цвет в зависимости от состояния земной атмосферы.

23 Венцы

24 Венцы – небольшие радужные кольца, образующиеся вокруг Луны вследствие дифракции света на мельчайших капельках воды. Чем крупнее капли, тем меньше диаметр венца. Гало следует отличать от венцов, которые внешне схожи с ним, но имеют другое происхождение. Венцы возникают в тонких водяных облаках, состоящих из мелких однородных капель ( обычно это высококучевые облака ) и закрывающих диск светила, за счёт дифракции. Они могут появиться также в тумане около искусственных источников света. Основная, а часто единственная часть венца – светлый круг небольшого радиуса, окружающий вплотную диск светила ( или искусственный источник света ). Круг в основном имеет голубоватый цвет и лишь по внешнему краю – красноватый. Его называют также ореолом. Он может быть окружён одним или несколькими дополнительными кольцами такой же, но более светлой окраски, не примыкающими вплотную к кругу и друг к другу.

25 Атмосферная рефракция Прежде чем луч света от удалённого космического объекта ( например, звезды ) сможет попасть в глаз наблюдателя, он должен пройти сквозь земную атмосферу. При этом световой луч подвергается процессам рефракции ( преломления ), поглощения и рассеяния. Попадая в атмосферу Земли, луч в результате преломления отклоняется от прямой линии по направлению к Земле. Это явление называется рефракцией. По мере приближения к поверхности Земли плотность атмосферы растёт, и лучи преломляются всё сильнее. В результате все небесные тела, за исключением тех, что находятся в зените, кажутся на небе выше, чем они есть на самом деле ( см. рисунок ). Угол α между истинным и видимым направлениями на звезду называется углом рефракции. Звёзды вблизи горизонта, свет которых должен пройти через большую толщу атмосферы, сильнее всего подвержены действию атмосферной рефракции ( угол рефракции составляет порядка 1/6 углового градуса ). Видимое смещение ( обозначено пунктиром ) для истинных звёзд S 1 и S 2. Наблюдатель находится в точке О Наличие атмосферных слоёв с различной плотностью, температурой и составом и существование вертикальных и горизонтальных перемещений этих слоёв могут создавать переменную рефракцию, которая приводит к видимому мерцанию звёзд. К другим астрономическим явлениям, связанным с рефракцией света в атмосфере, относится освещение диска Луны красноватым светом во время полных лунных затмений. Такое освещение создаётся солнечными лучами, которые из - за преломления в атмосфере попадают в конус земной тени и, соответственно, на поверхность Луны. красноватым светом

26 Рефракция света в атмосфере – оптическое явление, вызываемое преломлением световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов. Вследствие того, что атмосфера является средой оптически неоднородной ( с высотой меняется температура, плотность, состав воздуха ), лучи света распространяются в ней не прямолинейно, а по некоторой кривой линии. Наблюдатель видит объекты не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения ( см. рис. 1). Показатель преломления зависит не только от свойств воздушных слоёв атмосферы, но и от длины световой волны ( дисперсия света ). Поэтому рефракция в атмосфере сопровождается разложением светового луча в спектр. Чем меньше длина волны светового луча, тем более сильную рефракцию он испытывает. Например, фиолетовые лучи преломляются сильнее, чем зелёные, а зелёные – сильнее, чем красные. Поэтому чем меньше длина волны луча, тем сильнее будет видимое смещение за счёт рефракции. В результате верхняя каёмка диска Солнца на восходе и закате кажется сине - зелёной, нижняя – оранжево - красной ( рис. 2). рис. 2 Дисперсия солнечных лучей в наиболее явном виде проявляется в самый последний момент захода Солнца. Когда Солнце уходит за горизонт, последним лучом мы должны были бы увидеть фиолетовый. Однако самые коротковолновые лучи – фиолетовые, синие, голубые – на долгом пути в атмосфере ( когда Солнце уже у горизонта ) настолько сильно рассеиваются, что не доходят до земной поверхности. Кроме того, к лучам этой части спектра менее чувствительны глаза человека. Поэтому последний луч заходящего Солнца оказывается яркого изумрудного цвета. Это явление и получило название зелёный луч. зелёный луч