Лицей Петру Мовилэ

Курсовая работа по физике на тему:

Оптические атмосферные явления

Работа ученицы 11А класса

Болюбаш Ирины

Кишинёв 2006 -

План:

1. Введение

а) Что такое оптика?

б) Виды оптики

2. Земная атмосфера, как оптическая система

3. Солнечный закат

а) Цветовое изменение неба

б) Солнечные лучи

в) Неповторимость солнечных закатов

4. Радуга

а) Образование радуги

б) Разнообразие радуг

5. Полярные сияния

а) Виды полярных сияний

б) Солнечный ветер, как причина возникновения полярных сияний

6. Гало

а) Свет и лёд

б) Кристаллики-призмы

7. Мираж

а) Объяснение нижнего («озерного») миража

б) Верхние миражи

в) Двойные и тройные миражи

г) Мираж сверхдальнего видения

д) Легенда альпийских гор

е) Парад суеверий

8. Некоторые загадки оптических явлений

Введение

Что такое оптика?

Первые представления древних ученых о свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Тогда под оптикой понимали науку о зрении. Именно такой точный смысл слова «оптика». В средние века оптика постепенно из науки о зрении превратилась в науку о свете. Этому способствовало изобретение линз и камеры-обскуры. В современное время оптика - это раздел физики, в котором исследуется испускание света, его распространение в различных средах и взаимодействие с веществом. Что же касается вопросов, связанных со зрением, устройство и функционирование глаза, то они выделились в специальное научное направление, называемое физиологической оптикой.

Понятие "оптика", в совремённой науке, имеет многогранное значение. Это и атмосферная оптика, и молекулярная оптика, и электронная оптика, и нейтронная оптика, и нелинейная оптика, и голография, и радиооптика, и пикосекундная оптика, и адаптивная оптика, и многие другие явления и методы научных исследований, тесно связанные с оптическими явлениями.

Большинство из перечисленных видов оптики, как физическое явление, доступны нашему наблюдению только при использовании специальных технических устройств. Это могут быть лазерные установки, излучатели рентгеновских лучей, радиотелескопы, плазменные генераторы и многие другое. Но наиболее доступным и, вместе с тем, наиболее красочным оптическими явлениями являются атмосферные. Огромные по своим масштабам, они суть – порождение взаимодействия света и атмосферы земли.

Земная атмосфера, как оптическая система

Наша планета окружена газовой оболочкой, которую мы называем атмосферой. Обладая наибольшей плотностью у земной поверхности и постепенно разрежаясь с поднятием вверх, она достигает толщины более сотни километров. И это не застывшая газовая среда с однородными физическими данными. Наоборот, атмосфера земли находится в постоянном движении. Под воздействием различных факторов, её слои перемешиваются, меняют плотность, температуру, прозрачность, перемещаются на большие расстояния с различной скоростью.

Для лучей света, идущих от солнца или других небесных светил, земная атмосфера представляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися параметрами. Оказываясь на их пути, она и отражает часть света, рассеивает его, пропускает его сквозь всю толщу атмосферы, обеспечивая освещённость земной поверхности, в определённых условиях, разлагает его на составляющие и искривляет ход лучей, вызывая, тем самим, различные атмосферные явления. Наиболее необычные красочные из них это солнечный закат, радуга, северное сияние, мираж, солнечное и лунное гало.

Солнечный закат

Самым простым и доступным для наблюдения атмосферным явлением является закат нашего небесного светила – Солнца. Необычайно красочный, он никогда не повторяется. А картина неба и изменение её в процессе заката столь ярка, что вызывает восхищение у каждого человека.

Приближаясь к горизонту, Солнце не только теряет яркость, но и начинает постепенно менять свой цвет - в его спектре во все возрастающей степени подавляется коротковолновая часть (красные цвета). Одновременно начинает окрашиваться и небо. В окрестности Солнца оно приобретает желтоватые и оранжевые тона, а над противосолнечной частью горизонта появляется бледная полоса со слабо выраженной гаммой цветов.

К моменту захода Солнца, уже принявшего темно-красный цвет, вдоль солнечного горизонта вытягивается яркая полоса зари, окраска которой изменяется снизу вверх от оранжево-желтой до зеленовато голубой. Над ней раскидывается округлое яркое почти неокрашенное сияние. В то же время у противоположного горизонта начинает медленно подниматься синевато-серый тусклый сегмент тени Земли, окаймленный розовым поясом ( "Пояс Венеры").

По мере того как Солнце опускается глубже под горизонт, возникает быстро расплывающееся розовое пятно - так называемый "пурпурный свет" , достигающий наибольшего развития при глубине Солнца под горизонтом около 4-5 o . Облака и вершины гор заливают алые и пурпурные тона, а если облака или высокие горы находятся за горизонтом, то их тени протягиваются около солнечной стороны неба и становятся насыщеннее. У самого горизонта небо густо краснеет, а по ярко окрашенному небу от горизонта к горизонту тянутся светлые лучи в виде отчетливых радиальных полос ( "Лучи Будды"). Тем временем тень Земли быстро надвигается на небо, ее очертания становятся расплывчатыми, а розовое окаймление еле заметным. Постепенно пурпурный свет затухает, облака темнеют, их силуэты отчетливо выступают на фоне блекнущего неба и только у горизонта, там где скрылось Солнце, сохраняется яркий разноцветный сегмент зари. Но и он постепенно сокращается и бледнеет и к началу астрономических сумерек превращается в зеленовато-белесую узкую полосу. Наконец, исчезает и она - наступает ночь.

Описанную картину следует рассматривать лишь как типичную для ясной погоды. В действительности характер течения заката подвержен широким вариациям. При повышенной замутненности воздуха цвета зари обычно бывают блеклыми, особенно у горизонта, где вместо красных и оранжевых тонов иногда появляется только слабая бурая окраска. Нередко одновременные заревые явления развиваются по-разному в различных участках неба. Каждый закат обладает неповторимой индивидуальностью, и это следует рассматривать как одну из наиболее характерных их черт.

Крайняя индивидуальность течения заката и многообразие сопровождающих его оптических явлений зависит от различных оптических характеристик атмосферы - в первую очередь ее коэффициентов ослабления и рассеяния, которые по-разному проявляется в зависимости от зенитного расстояния Солнца, направления наблюдения и высоты наблюдателя.

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 41º - 42º

В момент восхода солнца противосолнечная точка 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.

Основная радуга образуется за счёт отражения света в каплях воды. А побочная радуга образуется в результате двукратного отражения света внутри каждой капли. В этом случае лучи света выходят из капли под другими углами, чем те, которые дают основную радугу, и цвета в побочной радуге располагаются в обратной последовательности.

Ход лучей в капле воды: а - при одном отражении, б - при двух отражениях

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.

Различные оптические (световые) явления в атмосфере обусловливаются тем, что световые лучи солнца и других небесных светил, проходя через атмосферу, испытывают рассеяние и дифракцию. В связи с этим в атмосфере возникает ряд удивительных по красоте оптических явлении:

цвет неба, окраска зари, сумерки, мерцание звезд, круги около видимого местоположения солнца и луны, радуга, мираж и др. Все они, отражая определенные физические процессы в атмосфере, очень тесно связаны с изменением и состоянием погоды и потому могут сложить хорошими местными признаками для ее предсказания.

Как известно, спектр солнечного света состоит из семи основных цветов, красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового Различные цвета лучей белого света смешаны в строго определенной пропорции. При всяком нарушении этой пропорции свет из белого превращается в окрашенный. Если лучи света падают на частицы, размеры которых меньше длин волн лучей, то они, согласно закону Рэлея, рассеиваются этими частицами обратно пропорционально длинам волн в четвертой степени. Этими частицами могут быть как молекулы газов, составляющих атмосферу, так и мельчайшие частицы пыли.

Одни и те же частицы рассеивают лучи различных цветов по- разному. Сильнее всего рассеиваются лучи фиолетовые, голубые и синие, слабее-красные. Именно поэтому небо окрашено в голубой цвет: у горизонта оно имеет светло-голубой тон, а в зените-почти синий.
Синие лучи, проходя слой атмосферы, сильно рассеиваются, красные же достигают поверхности земли почти совсем нерассеянными. Этим объясняется красный цвет солнечного диска на закате или сразу после восхода.

Когда же свет падает на частицы, диаметр которых почти равен длинам волн или больше их, то лучи всех цветов рассеиваются одинаково. В этом случае рассеянный и падающий свет будет одинакового цвета.
Поэтому если в атмосфере взвешены более крупные частицы, то к синему цвету неба, обусловленному рассеиванием молекул газов, прибавится белый цвет, и небо станет голубым с беловатым оттенком, усиливающимся по мере увеличения количества взвешенных в атмосфере частиц.
Такой цвет неба наблюдается, когда в воздухе содержится много пыли.
Цвет неба становится белесоватым, а при наличии в воздухе большого количеств продуктов конденсации водяных паров в виде капелек воды, кристалликов льда небо приобретает красноватый и оранжевый оттенок.
Такое явление обычно наблюдается при прохождении фронтов или циклонов, когда влага выносится мощными потоками воздуха высоко вверх.

Когда солнце находится вблизи горизонта, лучам света приходится проходить к поверхности земля длинный путь в слое воздуха, часто содержащем большое количество крупных частиц влаги и пыли. В этом случае голубой свет рассеивается очень слабо, сильнее рассеиваются красные и другие лучи, окрашивающие нижний слой атмосферы в различные яркие и бурые оттенки красного, желтого и других цветов в зависимости от запыленности, влажности и сухости воздуха.

С цветом неба тесно связано явление, называемое опалесцирующим помутнением воздуха. Явление опалесцирующего помутнения воздуха состоит в том, что отдаленные земные пред­меты кажется окутанными голубоватой дымкой (рассеянные фиолетовые, синие, голубые цвета).
Такое явление наблюдается в тех случаях, когда в воздухе находится во взвешенном (состоянии множество мельчайших частичек пыли диаметром менее 4 мк.

Многочисленными исследованиями цвета неба с помощью специального прибора (цианометра) и визуально установлена зависимость между цветом неба и характером воздушной массы. Оказалось, что существует прямая связь между этими двумя явлениями.
Глубокий синий цвет свидетельствует о нахождении в данном районе арктической массы воздуха, а белесоватый - запыленной континентальной и тропической. Когда в результате конденсации водяного пара в воздухе образуются частицы воды или кристаллики льда большего размера, чем молекулы воздуха, то они отражают все лучи одинаково, и небо приобретает беловатую или сероватую окраску.

Находящиеся в атмосфере твердые и жидкие частицы вызывают значительное помутнение воздуха и поэтому сильно уменьшают видимость. Под дальностью видимости в метеорологии понимают то предельное расстояние, на котором при данном состоянии атмосферы рассматриваемые предметы перестают быть различаемы.

Следовательно, цвет неба и видимость, зависящие во многом от размера частиц, находящихся в воздухе, позволяют судить о состоянии атмосферы и предстоящей погоде.

На этом основан ряд местных признаков предсказания погоды:

Темно-синеватое небо днем (только около солнца может быть слегка белесоватым), средняя или хорошая видимость и тихая погода оказывают на малое количество водяных паров в тропосфере, следовательно, можно ожидать, что антициклональная погода продлится 12 ч и более.

Белесоватое небо днем, средняя или плохая видимость указывают на наличие большого количества водяных паров, продуктов конденсации и пыли в тропосфере, т. е. здесь проходит периферия антициклона, соприкасающаяся с циклоном: можно ожидать перехода к циклональной погоде в ближайшие 6-12 ч.

Цвет неба, имеющий зеленоватый оттенок, указывает на большую сухость воздуха тропосферы; летом предвещает жаркую погоду, а зимой-морозную.

Ровное серое небо утром бывает перед ясной хорошей погодой, серый вечер и красное утро-перед ненастной ветреной погодой.

Белесоватый оттенок неба вблизи горизонта при небольшой высоте солнца (в то время как остальная часть неба имеет синий цвет) оказывает на небольшою влажность в тропосфере и предвещает хорошую погоду.

Постепенное уменьшение яркости и синевы неба, увеличение белесоватого пятна возле солнца, помутнение неба у горизонта, ухудшение видимости-признак приближения теплого фронта или фронта окклюзии теплого типа.

Если отдаленные предметы хорошо видны и не кажутся более близкими, чем они есть в действительности, можно ожидать антициклональной погоды.

Если отдаленные предметы видны отчётливо, но расстояние до них кажется ближе действительного, то значит в атмосфере большое количество водяных паров: нужно ждать ухудшения погоды.

Плохая видимость отдаленных предметов на побережье указывает на присутствие в нижнем слое воздуха большого ко­личества пыли и сложит признаком того, что в ближайшие 6-12 ч не следует ожидать осадков.

Большая прозрачность воздуха с дальностью видимости 20-50 км и больше-признак наличия в данном районе арктической воздушной массы

Ясная видимость луны с кажущимся выпуклым диском свидетельствует о большой влажности воздуха в тропосфере и служит признаком ухудшения погоды.

Хорошо видимый пепельный свет луны предвещает плохую погоду. Пепельным светом называется явление, когда в первые дни после новолуния, кроме узкого яркого серпа луны, виден весь ее полный диск, слабо освещенный светом, отраженным от земли.

Заря

Зарей называется цветовая окраска небесного свода при восходе и заходе солнца.

Разнообразие красок зари вызывается различным состоянием атмосферы. Цветные полосы зари, считая от горизонта, всегда наблюдаются в порядке цветов спектра красный, оранжевый, желтый, голубой.
Отдельные цвета могут совершенно отсутствовать, но порядок распределения никогда не меняется У горизонта ниже красного цвета может быть иногда серый грязно пурпурный цвет, кажущийся сиреневатым. Верхняя часть зари имеет либо белесоватый оттенок, либо голубой.

Основные факторы, влияющие на вид зари,-это продукты конденсации водяного пара и пыль, содержащиеся в атмосфере:

Чем больше влаги в воздухе, тем более ярко выражен красный цвет зари. Увеличение влажности воздуха наблюдается обычно перед приближением циклона, фронта, несущих ненастную погоду. Поэтому при ярких красных и оранжевых зорях можно ожидать влажную с сильными ветрами погоду. Преобладание желтых (золотистых) тонов зари свидетельствует о малом количестве влаги и большом количестве пыли в воздухе, что указывает на предстоящую сухую и ветреную погоду.

Яркие и багрово красные зори, похожие на зарево далекого пожара с мутными оттенками, указывают на большую влажность воздуха и являются признаком ухудшения погоды - приближения циклона, фронта в ближайшие 6-12 ч.

Преобладание ярко-желтых, а также золотистых и розовых тонов вечерней зари указывает на малую влажность воз духа; можно ожидать сухую, часто ветреную погоду.

Светло-красное (розовое) небо вечером указывает на маловетреную погоду без осадков.

Румяный вечер и серое утро предвещают ясный день и вечер со слабыми ветрами.

Чем нежнее красная окраска облаков при вечерней заре, тем благоприятнее будет предстоящая погода.

Желтовато коричневая заря зимой во время морозов указывает на их сохранение и возможное усиление.

Мутная желтовато розовая вечерняя заря-признак вероятного ухудшения погоды.

Если солнце, приближаясь к горизонту, мало меняет свои обычный беловато-желтый цвет и заходит очень ярким, что связано с большой прозрачностью атмосферы, малым содержанием влаги и пыли, то хорошая погода сохранится.

Если солнце перед заходом до горизонта или при восходе в момент появления его края дает вспышку ярко зеленого луча, то надо ожидать сохранения устойчивой ясной тихой погоды; если удалось заметить при этом синий луч, то можно ожидать. Особенно тихую и ясную погоду. Продолжительность вспышки зеленого луча- не более 1-3 сек.

Преобладание зеленоватых оттенков во время вечерней зари указывает на длительную сухую ясную погоду.

Светлая серебристая полоска без всяких резких границ, долго заметная у горизонта при безоблачном небе после захода солнца, предвещает продолжительную тихую антициклональную погоду.

Нежное розовое освещение неподвижных перистых облаков во время захода сольца при отсутствии других облаков- надежный признак установившейся антициклональной погоды.

Преобладание в вечерней заре ярко красной окраски, которая долго удерживается при дальнейшем опускании солнца за горизонт, служит признаком приближения теплого фронта или фронта окклюзии теплого типа, надо ожидать продолжи тельную ненастную ветреную погоду.

Нежно розовая заря в виде круга над зашедшим за горизонт солнцем-хорошая устойчивая погода. Если окраска круга становится розово красной, возможны осадки и усиление ветра.

Расцветка зари тесно связана с природой воздушной массы. В таблице, составленной для умеренных широт европейской части СНГ указана связь расцветки зари с воздушными массами по Н. И. Кучерову:

Заход солнца

Так как циклоны движутся преимущественно от западных румбов, то признаком приближения циклона обычно служит появление облаков на западной половине небосвода, и если это происходит вечером, то солнце заходит в облака. Но при этом надо учитывать последовательность облачных форм, которая связана с циклонами, атмосферными фронтами.

Если солнце заходит за низкое сплошное облако, выде­ляющееся резко на фоне зеленоватого или желтоватого неба, то это признак предстоящей хорошей (сухой, тихой и ясной) погоды.

Если солнце заходит при сплошной низкой облачности и если на горизонте и над облачностью наблюдаются слои перистых или перисто-слоистых облаков, то выпадут осадки, наступит ветреная циклональная погода в ближайшие 6-12 ч.

Заход солнца за темные плотные облака с красной окраской по краям предвещает циклональную погоду.

Если после захода солнца на востоке отчетливо виден темный постепенно распространяющийся вверх конус с широкой размытой оранжевой каймой - тень земли, то со стороны захода солнца приближается циклон.

Тень земли на востоке после захода солнца - серо-сизая, без цветной окраски края или с бледно-розовой окраской - признак сохранения антициклональной погоды.

Так называют пучок отдельных светлых лучей или полос, вы­ходящих из-за облаков, закрывающих солнце. Лучи солнца проходят через просветы между облаками, освещают водяные капельки, парящие в воздухе во взвешенном состоянии, и дают пучок светлых полос в виде лент (лучи Будды).

Поскольку это сияние наблюдается благодаря присутствию в воздухе большого количества мелких водяных капель, то оно предвещает дождливую, ветреную циклональную погоду.

Сияние выходящее из-за темного облака, за которым находится солнце -признак наступления в ближайшие 3-6 ч ветреной погоды с дождем.

Сияние из-за облаков желтого цвета, наблюдаемое не­посредственно после прошедшего дождя, предвещает скорое возобновление дождя и усиление ветра.

Красный цвет солнца, луны и других небесных светил указывает на большую влажность в атмосфере, т.е. установление в ближайшие 6-10 ч циклональной погоды с сильным ветром и осадками.

Красноватый цвет затемненного диска солнца вместе с голубоватой окраской отдаленных предметов (гор и т.п.) - признак распространения запыленного тропического воздуха, нужно ожидать скорого значительного повышения температуры воздуха.

Наблюдая небесный свод с открытого места (например, в море), можно заметить, что он имеет форму полушария, но сплюснутого по вертикальному направлению. Часто кажется, что расстояние от наблюдателя до горизонта в три четыре раза больше, чем до зенита.

Объясняется это следующим. При взгляде вверх, не откидывая головы назад, предметы представляются нам укороченными по сравнению с теми, которые находятся в горизонтальном положении.

Например, поваленные столбы или деревья кажутся длиннее расположенных вертикально. По горизонтальному направлению действует атмосферная перспектива, вследствие которой предметы, окутанные дымкой (от пыли и восходящих токов), кажутся менее освещенными и потому более отдаленными.

Кажущаяся сплюснутость небесного свода изменяется в зависимости от условии погоды. Большая прозрачность атмосферы и высокая влажность воздуха увеличивают сплюснутость небосвода.

Сплюснутый, низкий небесный свод наблюдается перед циклональной погодой.

Высокий небесный свод наблюдается в центральных районах антициклонов; можно ожидать, что хорошая погода антициклонального характера сохранится в течение 12 ч и более.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цель урока: сформировать представление об оптических явлениях в атмосфере..

Планируемый результат: учащиеся должны знать / понимать и объяснять как возникают атмосферные явления, связанные с отражением солнечного света; явления, связанные с электричеством.

Основные термины и понятия: оптические явления в атмосфере, радуга, мираж, гало, полярное сияние, молния, “Огни Святого Эльма”.

Ресурсы:
– учебник – стр. 106–109;
– электронное приложение к учебнику;
– презентация к уроку.

Оборудование:
– Проектор;
– Экран;
– Компьютер у учителя;
– Ноутбуки на каждой парте;
– Сосуд в восточном стиле;
– Костюм для Старика Хоттабыча.

Ход урока

–Есть ли, дети, одеяло,
Чтоб всю Землю укрывало?
Чтоб его на всех хватало,
Да при том не видно было?
Не сложить, не развернуть,
Не пощупать, не взглянуть?
Пропускало б дождь и свет,
Есть, а вроде бы и нет?
– Что это за одеяло? (Атмосфера-воздушная оболочка Земли.)

И мы продолжаем с вами изучать тему “Атмосфера”. Вначале я вам задам несколько вопросов:

1. Из чего состоит атмосфера Земли? (Смесь газов, мельчайших капель воды и кристалликов льда, пыль, сажа, органические вещества.)

2. В каком виде влага содержится в воздухе? (Вод. пар, капельки воды и кристаллики льда.)

3. Атмосфера не однородна, в ней выделяется несколько слоев? (Тропо-страто-мезо-термо-экзо-ионосфера.)

4. В каких слоях возникает полярное сияние? (Ионосфера.)

– Полярное сияние, молнии, миражи пугали в древности людей. Сегодня ученым удалось раскрыть тайны этих загадочных явлений. И тема нашего урока “Оптические явления в атмосфере”.

А что это за загадочный сосуд стоит у меня на столе? Вы не знаете? Давайте посмотрим?

(Открывает сосуд, из него валит дым, появляется старик Хоттабыч.)

– Апчхи! Приветствую тебя, о мудрый мой повелитель! (Д алее слова Хоттабыча , которого играет один из учащихся, выделены подчеркнутым шрифтом. )
– Вы откуда? Вы из театра?
– О, нет, мой повелитель! Я вот из этого сосуда!
– Так Вы..?
– Да, Я – могучий и прославленный во всех четырех странах света джинн Гассан Абдурахман ибн Хоттаб, то есть сын Хоттаба!
– Хоттабыч?!
– А кто эти прекрасные отроки?
– А это ученики 6 "А" класса, и у нас сейчас урок географии.
– Урок географии! Знайте же, о прекраснейшие из прекрасных, что вам неслыханно повезло, ибо я богат знаниями по географии. Я научу вас, и вы прославитесь среди учеников своей школы и среди учеников всех школ вашего края!
– Мы очень рады этому, уважаемый Хоттабыч .
– А что это за волшебные черные коробочки, которые лежат перед вами?
– Это компьютеры, с помощью которых современные дети изучают географию. Я приглашаю Вас, уважаемый Хоттабыч, сегодня поработать с нами. А ребят я попрошу открыть экран урока "Оптические явления в Атмосфере. Как вы думаете, что же такое оптические явления? (световые, зрительные).
Сегодня мы познакомимся с некоторыми оптическими явлениями, заполним таблицу, которая лежит перед вами. Ну а наш уважаемый Хоттабыч расскажет нам, как древние ученые представляли то или иное явление.

Итак, начинаем!

Явления, связанные с отражением солнечного света.

Радуга – Прошел летний дождь, и вновь засияло солнце. И как по волшебству в небе появилась радуга-дуга.

Я знаю, радугу создал Бог древнего Вавилона в знак того, что он решил прекратить всемирный потоп.

А что по этому поводу думают современные ученые?

Солнечный свет кажется нам белым, но в действительности он состоит из световых волн 7 цветов: красного, оранжевого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Проходя сквозь капли воды, солнечный луч преломляется и распадается на разные цвета. Вот отчего после дождя или около водопадов можно наблюдать радугу. (делают запись в таблице).

– Многие путешественники по пустыням становятся свидетелями другого атмосферного явления – Миража.

Древние египтяне верили, что мираж– это призрак страны, которой больше нет на свете.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию)

Почему же возникают миражи? Это происходит, когда раскаленный над поверхностью воздух поднимается вверх. Его плотность начинает возрастать. Воздух при различной температуре обладает различной плотностью, и луч света, переходя из слоя в слой, будет изгибаться, зрительно приближая объект. М. возникают над раскаленной(пустыня, асфальт), либо, напротив, над охлажденной поверхностью (водой).-записи.

Гало. В морозную погоду вокруг Солнца и Луны появляются ярко выраженные кольца – Гало .

– Это значит, что в это время происходит шабаш ведьм.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)

Они возникают, когда свет отражается в кристаллах льда перисто-слоистых облаков. Венцы – несколько вложенных в друг друга колец.(Записи.)
Воздух не проводит электричество, но в некоторых случаях обнаруживается, что он просто переполнен электричеством.

Явления, связанные с электричеством.

Полярное сияние – Жители приполярных районов могут любоваться Полярным сиянием.

– Это самосветящийся воздух выходит через дырку в Земле.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)

Солнце посылает на Землю поток электрически заряженных частиц, которые сталкиваются с частичками воздуха и начинают светиться.(Записи.)

Молния –"Летит огневая стрела, никто ее не поймает-ни царь, ни царица, ни красна девица.

– Это Бог Перунпоражает своим каменным оружием змея.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)

Видимый электрический разряд между облаками, или между облаком и землей. Молния – гром. Воздух может нагреться внутри молнии до 30.000 гр.(это в 5 раз больше, чем на поверхности Солнца.)

Виды молнии(линейная и шаровая), чем опасны?(Записи.)

Другое явление, связанное с электрическим свечением атмосферы

"Огни Святого Эльма".

– Моряки считают его дурным знаком.

(Дети изучают данный раздел в электронном приложении и говорят современную версию.)

Сегодня мы с вами познакомились с некоторыми необычными явлениями в природе.

– Благодаря Хоттабычу мы узнали о взглядах древних на оптические явления в атмосфере.

– Ну а я узнал, как ваши современные ученые объясняют многие загадочные явления.

(Если будет время: я предлагаю вам проверить себя с помощью теста.)

Сегодня вы поработали хорошо, тема эта очень сложная, и более глубоко вы ее будете изучать в курсе физики в 10–11 классе.

Д.З. : выполнить тест к этому уроку.

Для желающих: из дополнительных источников информации узнайте, какие необычные атм. явления когда-либо проходили в вашей местности. Как они описаны?

Электрические и оптические явления в атмосфере. Атмосферные явления. Электрические и оптические явления в атмосфере удивительные, а иногда опасные атмосферные явления.

Электрические явления в атмосфере.

3. Электрические явления это проявление атмосферного электричества (гроза, зарница, полярное сияние).

Гроза – сильные электрические разряды, происходящие в атмосфере. Сопровождается порывистым ветром, ливнем, вспышками яркого света (молнией) и резкими звуковыми эффектами (громом). Раскаты грома слышны на расстоянии до двадцати километров. Причиной являются кучево-дождевые облака. Электрические разряды могут возникать межу облаками, внутри самих облаков, между облаками и поверхностью земли. Гроза бывает фронтальной при движении холодного или теплого фронта воздушных масс или внутримассовой. Внутримассовая гроза образуется при местном прогревании воздуха. Гроза является очень опасным природным явлением для человека. По количеству унесенных человеческих жизней гроза находится на втором месте после наводнений. Любопытные ученые определили, что одновременно на Земле происходит полторы тысячи гроз. Каждую секунду возникает сорок шесть молний! Только на полюсах и в полярных районах не бывает грозы.

Зарница это световое явление, при котором на короткое время освещаются молнией облака или горизонт. Сама молния не наблюдается. Причиной является далеко проходящая гроза (на расстоянии более двадцати километров). Гром при зарнице не слышен.

Полярное сияние – разноцветное свечение ночного неба в высоких широтах. Причиной является значительное колебание магнитного поля Земли. При этом выделяется большое количество энергии. Длительность такого явления может составлять от нескольких минут до нескольких суток.

Оптические явления в атмосфере.

4. Оптические явления это результат дифракции (преломления) света от Солнца или Луны (мираж, радуга, гало).

Мираж это появление мнимого изображения действительно существующего предмета. Обычно мнимые предметы появляются в перевернутом виде или сильно искажены. Причиной является искривление лучей света из-за оптической неоднородности воздуха. Неоднородность атмосферы появляется при неравномерном нагреве воздуха на различной высоте.

Радуга – большая разноцветная дуга на фоне дождевых облаков. У радуги внешняя часть красного цвета, а внутренняя – фиолетовая. Нередко с наружной стороны радуги появляется вторичная радуга, у которой обратное чередование цветов. Причиной возникновения является преломление и отражение лучей света в капельках водяного пара. Радугу можно наблюдать только в том случае, если солнце расположено низко над горизонтом.

Гало – светлые красноватые дуги, круги, пятна, появляющиеся вокруг Солнца или Луны. Причиной возникновения является преломление и отражение лучей света от кристаллов льда в перисто-слоистых облаках.

5. Неклассифицированные атмосферные явления это все явления, которые трудно отнести к какому-нибудь другому виду (шквал, смерч, вихрь, мгла).

Шквал это неожиданное и резкое усиление ветра в течение одной или двух минут. Ветер достигает скорости более 10 метров в секунду. Причиной является движение восходящих и нисходящих масс воздуха. Шквалу сопутствуют гроза, ливень и кучево-дождевые облака.

Вихрь — это вращательное и поступательное движение больших масс воздуха. Диаметр вихря может достигать нескольких тысяч километров. Атмосферные вихри: циклон, тайфун.

Смерч или торнадо – очень сильный вихрь, представляющий собой гигантскую воронку или столб из облака. Диаметр такого столба над водой может быть до 100 метров, а над землей до километра. Высота смерча достигает 10 километров.

Внутри воронки или столба, при вращении воздуха, образуется зона разреженного воздуха. Скорость движения воздуха в воронке пока не определена. Просто нет такого смельчака, рискнувшего попасть с приборами в воронку. Смерч втягивает в себя воду, песок, пыль, другие предметы и переносит их на значительные расстояния. Срок жизни смерча составляет от нескольких минут до полутора часов. Образуется в жару и исходит из кучево-дождевого облака. Люди пока полностью не определили механизм возникновения смерчей.

Оптические явления в природе

Явления, связанные с преломлением света.

Миражи.

В неоднородной среде свет распространяется непрямолинейно. Если мы представим себе среду, в которой показатель преломления изменяется снизу вверх, и мысленно разобьем ее на тонкие горизонтальные слои, то, рассматривая условия преломления света при переходе от слоя к слою, заметим, что в такой среде луч света должен постепенно изменять свое направления.

Такое искривление световой луч претерпевает в атмосфере, в которой по тем или иным причинам, главным образом благодаря неравномерному нагреванию ее, показатель преломления воздуха изменяется с высотой.

Воздух обычно нагревается от почвы, поглощающей энергию солнечных лучей. Поэтому температура воздуха понижается с высотой. Известно также, что с высотой понижается и плотность воздуха. Установлено, что с увеличением высоты, показатель преломления уменьшается, поэтому лучи, идущие сквозь атмосферу искривляются, пригибаясь к Земле. Это явление получило название нормальной атмосферной рефракции. Вследствие рефракции небесные светила кажутся нам несколько «приподнятыми» (выше своей истинной высоты) над горизонтом.


Миражи делят на три класса.
К первому классу относят наиболее распространенные и простые по своему происхождению, так называемые озерные (или нижние) миражи, вызывающие столько надежд и разочарований у путников пустынь.

Объяснение этого явления простое. Нижние слои воздуха, разогретые от почвы, не успели еще подняться вверх; их показатель преломления света меньше, чем верхних. Поэтому лучи света, исходящие от предметов, изгибаясь в воздухе, попадают в глаз снизу.

Чтобы увидеть мираж, нет надобности ехать в Африку. Его можно наблюдать и в жаркий тихий летний день и у нас над разогретой поверхностью асфальтового шоссе.

Миражи второго класса называют верхними или миражами дальнего видения.

Они появляются в том случае, если верхние слои атмосферы окажутся по каким-либо причинам, например, при попадании туда нагретого воздуха, особенно разреженными. Тогда лучи, исходящие от земных предметов, искривляются сильнее и достигают земной поверхности, идя под большим углом к горизонту. Глаз же наблюдателя проецирует их в том направлении, по которому они входят в него.

Видимо в том, что большое количество миражей дальнего видения наблюдается на побережье Средиземного моря, повинна пустыня Сахара. Горячие массы воздуха поднимаются над ней, затем уносятся на север и создают благоприятные условия для возникновения миражей.

Верхние миражи наблюдаются и в северных странах, когда дуют теплые южные ветры. Верхние слои атмосферы оказываются нагретыми, а нижние – охлажденными из-за наличия больших масс тающих льдов и снегов.

Миражи третьего класса – сверхдальнего видения – трудно объяснить. Однако, высказывались предположения об образовании в атмосфере гигантских воздушных линз, о создании вторичного миража, то есть миража от миража. Возможно, что здесь играет роль ионосфера, отражающая не только радиоволны, но и световые волны.

Явления, связанные с дисперсией света

Радуга – это красивое небесное явление – всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще очень мало знали об окружающем их мире, радугу считали «небесным знамением». Так, древние греки думали, сто радуга – это улыбка богини Ириды. Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от наблюдателя Ра расстоянии 1-2 км., иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м. на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды

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 радугу более узкую, 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 Р. 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 Пертнером.

Явления, связанные с интерференцией света

Белые световые окружности вокруг Солнца или Луны, которые возникают в результате преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега, называются гало. В атмосфере присутствуют небольшие кристаллы воды, и когда их грани образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, того, кто наблюдает эффект, и кристаллы, на небе становится виден характерный белый ореол, окружающий Солнце. Так грани отражают лучи света с отклонением на 22°, образуя гало. В холодное время года гало, образованные кристаллами льда и снега на поверхности земли, отражают солнечный свет и рассеивают его в разных направлениях, образуя эффект под названием "бриллиантовая пыль".

Наиболее известным примером большого гало является знаменитое, часто повторяющееся «Брокенское видение». Например, человек, стоящий на холме или горе, за спиной которого восходит или заходит солнце, обнаруживает, что его тень, упавшая на облака, становится неправдоподобно огромной. Это происходит из-за того, что мельчайшие капли тумана особым образом преломляют и отражают солнечный свет. Свое название явление получило по имени вершины Броккен в Германии, на которой, из-за частых туманов, можно регулярно наблюдать этот эффект.

Паргелии.

"Паргелий" в переводе с греческого – "ложное солнце". Это одна из форм гало (см. пункт 6): на небе наблюдается одно или несколько дополнительных изображений Солнца, расположенных на той же высоте над горизонтом, что и настоящее Солнце. Миллионы кристаллов льда с вертикальной поверхностью, отражающие Солнце, и образуют это красивейшее явление.

Паргелии можно наблюдать в тихую погоду при низком положении Солнца, когда значительное количество призм располагается в воздухе так, что их главные оси вертикальны, и призмы медленно опускаются как маленькие парашютики. В этом случае наиболее яркий преломленный свет поступает в глаз под углом 220 с граней, расположенных вертикально, и создает вертикальные столбы по обе стороны от Солнца по горизонту. Эти столбы могут быть в некоторых местах особо яркими, создавая впечатление ложного Солнца.

Полярные сияния.

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние. Невозможно передать словами красоту полярных сияний, переливающихся, мерцающих, пламенеющих на фоне темного ночного неба в полярных широтах.

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 занавеса составляет несколько сотен километров, толщина не превышает несколько сотен метров, причем он так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно отчетливо и резко 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 четыре типа полярных сияний:

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

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

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

4.При повышении активности складки или петли расширяются до огромных размеров (до сотни километров), нижний край ленты сияет розовым светом. Когда активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура являе6тся 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-зеленого свечения всей полярной шапки. Такие сияния называются шквалами.

Заключение

Когда-то миражи «Летучий голландец» и «Фата Моргана» наводили ужас на моряков. В ночь на 27 марта 1898 года, среди Тихого океана экипаж судна «Матадор» был напуган видением, когда в штиль в полночь увидел в 2милях (3,2 км) судно, которое боролось с сильным штормом. Все эти события на самом деле происходили на расстоянии 1700км.

Сегодня все, кто знает законы физики, а точнее ее раздела оптика, могут объяснить все эти загадочные явления.

В своей работе я не описала все оптические явления природы. Их очень много. Мы любуемся голубым цветом неба, румяной зарей, пылающим закатом - эти явления объясняются поглощением и рассеянием солнечного света. Работая с дополнительной литературой, я убедилась, что на вопросы, которые возникают при наблюдениях за окружающим нас миром, можно всегда найти ответы. Правда, надо знать, основы естественных наук.

ВЫВОД: Оптические явления в природе объясняются преломлением или отражением света, либо волновыми свойствами света- дисперсией, интерференцией, дифракцией, поляризацией, либо квантовыми свойствами света. Мир загадочен, но познаваем.