Tujuan pelajaran
Untuk memperkenalkan siswa dengan hukum perambatan cahaya pada antarmuka antara dua media, untuk memberikan penjelasan tentang fenomena ini dari sudut pandang teori gelombang cahaya.
|
Pekerjaan rumah: 61, tugas No. 1035, 1036.
Pemeriksaan pengetahuan
Uji. pantulan cahaya
bahan baru
Pengamatan pembiasan cahaya.
Pada batas dua media, cahaya mengubah arah rambatnya. Sebagian energi cahaya kembali ke medium pertama, yaitu cahaya dipantulkan. Jika media kedua transparan, maka sebagian cahaya dapat melewati batas media, juga mengubah, sebagai aturan, arah rambat. Fenomena ini disebut pembiasan cahaya.
Karena pembiasan, perubahan nyata dalam bentuk benda, lokasi dan ukurannya diamati. Kita dapat yakin akan hal ini dengan pengamatan sederhana. Mari kita letakkan koin atau benda kecil lainnya di bagian bawah gelas buram yang kosong. Mari kita pindahkan kaca sehingga pusat koin, tepi kaca dan mata berada pada garis lurus yang sama. Tanpa mengubah posisi kepala, kita akan menuangkan air ke dalam gelas. Saat permukaan air naik, bagian bawah gelas dengan koin naik, seolah-olah. Koin, yang sebelumnya hanya terlihat sebagian, sekarang akan terlihat sepenuhnya. Letakkan pensil secara miring dalam wadah berisi air. Jika Anda melihat wadah dari samping, Anda dapat melihat bahwa bagian pensil yang ada di dalam air tampak bergeser ke samping.
Fenomena ini dijelaskan oleh perubahan arah sinar pada batas dua media - pembiasan cahaya.
Hukum pembiasan cahaya menentukan posisi relatif dari sinar datang AB (lihat gambar), dibiaskan oleh DB dan CE tegak lurus ke antarmuka media, dipulihkan pada titik datang. Sudut disebut sudut datang, dan sudut adalah sudut bias.
Sinar datang, pantul, dan bias mudah diamati dengan membuat seberkas cahaya sempit terlihat. Arah pancaran seperti itu di udara dapat dilacak dengan meniupkan sedikit asap ke udara atau dengan menempatkan sekat sedikit miring ke pancaran. Sinar yang dibiaskan juga terlihat di air akuarium yang diwarnai fluorescein.
Biarkan gelombang cahaya pesawat jatuh pada antarmuka datar antara dua media (misalnya, dari udara ke air) (lihat Gambar.). Permukaan gelombang AC tegak lurus terhadap sinar A 1 A dan B 1 B . Permukaan MN pertama-tama akan mencapai sinar A 1 A . Balok B 1 B akan mencapai permukaan setelah waktu t . Oleh karena itu, pada saat gelombang sekunder di titik B baru mulai tereksitasi, gelombang dari titik A sudah berbentuk belahan bumi dengan jari-jari
Permukaan gelombang dari gelombang yang dibiaskan dapat diperoleh dengan menggambar garis singgung permukaan untuk semua gelombang sekunder dalam medium kedua, yang pusatnya terletak pada antarmuka antara media. Dalam hal ini, ini adalah bidang BD. Ini adalah amplop dari gelombang sekunder. Sudut datang balok sama dengan CAB dalam segitiga ABC (sisi salah satu sudut ini tegak lurus dengan sisi yang lain). Karena itu,
Sudut bias sama dengan sudut ABD segitiga ABD. Jadi
Membagi persamaan yang dihasilkan istilah dengan istilah, kami memperoleh:
|
|
di mana n adalah nilai konstanta yang tidak bergantung pada sudut datang.
Dari konstruksi (lihat Gambar.) jelas bahwa sinar datang, sinar bias, dan garis tegak lurus yang tegak di titik datang terletak pada bidang yang sama. Pernyataan ini, bersama-sama dengan persamaan yang rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias adalah nilai konstan untuk dua media, mewakili hukum pembiasan cahaya.
Anda dapat memverifikasi validitas hukum pembiasan secara eksperimental dengan mengukur sudut datang dan bias dan menghitung rasio sinus mereka pada sudut datang yang berbeda. Hubungan ini tetap tidak berubah.
Indeks bias.
Konstanta yang termasuk dalam hukum pembiasan cahaya disebut indeks bias relatif atau indeks bias medium kedua relatif terhadap yang pertama.
Prinsip Huygens tidak hanya menyiratkan hukum pembiasan. Dengan bantuan prinsip ini, makna fisik dari indeks bias terungkap. Ini sama dengan rasio kecepatan cahaya di media, pada batas di mana pembiasan terjadi:
|
|
Jika sudut bias lebih kecil dari sudut datang , maka, menurut (*), kecepatan cahaya di medium kedua lebih kecil dari pada yang pertama.
Indeks bias suatu medium terhadap ruang hampa disebut indeks bias mutlak medium ini. Ini sama dengan rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias selama transisi berkas cahaya dari ruang hampa ke media tertentu.
Dengan menggunakan rumus (**), indeks bias relatif dapat dinyatakan dalam indeks bias absolut n 1 dan n 2 media pertama dan kedua.
Memang, sejak
| dan |
di mana c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa, maka
Medium yang indeks bias mutlaknya lebih rendah disebut media optik kurang padat.
Indeks bias mutlak ditentukan oleh kecepatan rambat cahaya dalam media tertentu, yang tergantung pada keadaan fisik media, yaitu pada suhu zat, kepadatannya, dan adanya tegangan elastis di dalamnya. Indeks bias juga tergantung pada karakteristik cahaya itu sendiri. Sebagai aturan, untuk lampu merah kurang dari hijau, dan untuk hijau kurang dari ungu.
Oleh karena itu, dalam tabel indeks bias untuk zat yang berbeda, biasanya ditunjukkan untuk cahaya mana nilai n diberikan dan dalam keadaan apa mediumnya. Jika tidak ada indikasi seperti itu, maka ini berarti ketergantungan pada faktor-faktor tersebut dapat diabaikan.
Dalam kebanyakan kasus, perlu untuk mempertimbangkan transisi cahaya melalui antarmuka udara-padat atau udara-cair, dan bukan melalui antarmuka vakum-medium. Namun, indeks bias mutlak n2 zat padat atau cair sedikit berbeda dari indeks bias zat yang sama relatif terhadap udara. Jadi, indeks bias mutlak udara dalam kondisi normal untuk cahaya kuning adalah sekitar 1,000292. Karena itu,
Lembar kerja untuk pelajaran
Contoh Jawaban
"refraksi cahaya"
Pada antarmuka antara dua media transparan, bersama dengan pantulan cahaya, pembiasannya diamati, melewati media lain, itu mengubah arah perambatannya.
Pembiasan berkas cahaya terjadi ketika jatuh miring pada antarmuka (walaupun tidak selalu membaca lebih lanjut tentang refleksi internal total). Jika sinar jatuh tegak lurus permukaan, maka tidak akan terjadi pembiasan pada medium kedua, sinar akan mempertahankan arahnya dan juga tegak lurus permukaan.
4.3.1 Hukum pembiasan (kasus khusus)
Kami akan mulai dengan kasus khusus di mana salah satu media adalah udara. Situasi ini hadir di sebagian besar tugas. Kami akan membahas kasus khusus yang sesuai dari hukum pembiasan, dan kemudian kami akan memberikan formulasi yang paling umum.
Misalkan seberkas cahaya yang merambat melalui udara jatuh miring pada permukaan kaca, air, atau media transparan lainnya. Ketika melewati medium, sinar dibiaskan, dan perjalanan selanjutnya ditunjukkan pada Gambar 4.11.
Rabu O
Beras. 4.11. Pembiasan sinar pada batas 'udara-medium'
Pada titik datang O, sebuah CD tegak lurus (atau, seperti yang mereka katakan, normal) ke permukaan medium ditarik. Sinar AO, seperti sebelumnya, disebut sinar datang, dan sudut antara sinar datang dan garis normal adalah sudut datang. Balok OB adalah sinar bias; sudut antara sinar bias dan garis normal permukaan disebut sudut bias.
Setiap media transparan dicirikan oleh nilai n, yang disebut indeks bias media ini. Indeks bias berbagai media dapat ditemukan dalam tabel. Misalnya, untuk gelas n = 1;6, dan untuk air n = 1;33. Secara umum, setiap lingkungan memiliki n > 1; indeks bias sama dengan satu hanya dalam ruang hampa. Udara memiliki n = 1; 0003, jadi untuk udara dapat diasumsikan dengan akurasi yang cukup dalam masalah n = 1 (dalam optik, udara tidak berbeda jauh dengan vakum).
Hukum pembiasan (transisi udara-medium¿).
1) Sinar datang, sinar bias, dan garis normal permukaan yang ditarik pada titik datang terletak pada bidang yang sama.
2) Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias sama dengan indeks bias
lingkungan:
Karena n > 1, maka dari relasi (4.1) didapat bahwa sin > sin, yaitu > sudut bias lebih kecil dari sudut datang. Ingat: melewati dari udara ke medium, sinar setelah pembiasan mendekati normal.
Indeks bias secara langsung berhubungan dengan kecepatan v perambatan cahaya dalam media tertentu. Kecepatan ini selalu lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa: v< c. И вот оказывается,
Mengapa ini terjadi, kita akan mengerti ketika mempelajari optik gelombang. Sementara itu, kombinasi-
Mari kita selesaikan rumus (4.1 ) dan (4.2 ): | |||||
Karena indeks bias udara sangat dekat dengan satu, kita dapat mengasumsikan bahwa kecepatan cahaya di udara kira-kira sama dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa c. Mempertimbangkan hal ini dan melihat rumus (4.3), kami menyimpulkan: rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias sama dengan rasio kecepatan cahaya di udara dengan kecepatan cahaya dalam suatu medium.
4.3.2 Reversibilitas sinar cahaya
Sekarang perhatikan arah sebaliknya dari sinar: pembiasannya selama transisi dari medium ke udara. Prinsip bermanfaat berikut akan membantu kita di sini.
Prinsip reversibilitas sinar cahaya. Lintasan berkas tidak bergantung pada apakah berkas merambat ke arah depan atau ke belakang. Bergerak ke arah yang berlawanan, balok akan mengikuti jalur yang sama persis seperti di arah depan.
Menurut prinsip reversibilitas, ketika melewati dari medium ke udara, berkas akan mengikuti lintasan yang sama seperti selama transisi yang sesuai dari udara ke medium (Gbr. 4.12) Satu-satunya perbedaan antara Gbr. 4.12 dan Gbr. 4.11 adalah bahwa arah sinar telah berubah menjadi berlawanan.
Rabu O
Beras. 4.12. Pembiasan sinar pada batas 'udara-sedang'
Karena gambar geometris tidak berubah, rumus (4.1) akan tetap sama: rasio sinus sudut terhadap sinus sudut masih sama dengan indeks bias medium. Benar, sekarang sudut telah berubah peran: sudut menjadi sudut datang, dan sudut menjadi sudut bias.
Bagaimanapun, tidak peduli bagaimana pancaran pergi dari udara ke medium atau dari medium ke udara, aturan sederhana berikut ini bekerja. Kami mengambil dua sudut, sudut datang dan sudut bias; perbandingan sinus sudut yang lebih besar dengan sinus sudut yang lebih kecil sama dengan indeks bias medium.
Kami sekarang sepenuhnya siap untuk membahas hukum pembiasan di tempat yang sangat kasus umum.
4.3.3 Hukum pembiasan (kasus umum)
Biarkan cahaya merambat dari medium 1 dengan indeks bias n1 ke medium 2 dengan indeks bias n2. Sebuah media dengan indeks bias yang lebih tinggi dikatakan optik lebih padat; karenanya, media dengan indeks bias yang lebih rendah dikatakan kurang rapat secara optik.
Lewat dari media optik kurang rapat ke optik lebih rapat, berkas cahaya setelah pembiasan mendekati normal (Gbr. 4.13). Dalam hal ini, sudut datang lebih besar dari sudut bias: > .
Beras. 4.13. n1< n2 ) >
Sebaliknya, melewati dari media optik lebih rapat ke optik kurang rapat, berkas menyimpang lebih jauh dari normal (Gbr. 4.14). Di sini sudut datang lebih kecil dari sudut bias:
Beras. 4.14. n1 > n2 )<
Ternyata kedua kasus ini dicakup oleh satu formula oleh hukum umum pembiasan, yang berlaku untuk dua media transparan.
Hukum pembiasan.
1) Sinar datang, sinar bias dan normal terhadap antarmuka media, digambar
di titik datang terletak pada bidang yang sama.
2) Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias sama dengan perbandingan indeks bias medium kedua dengan indeks bias medium pertama:
Sangat mudah untuk melihat bahwa hukum pembiasan yang dirumuskan sebelumnya untuk transisi 'udara-medium' adalah kasus khusus dari hukum ini. Memang, dengan asumsi dalam rumus (4.4) n1 = 1 dan n2 = n, kita sampai pada rumus (4.1).
Ingat sekarang bahwa indeks bias adalah rasio kecepatan cahaya dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya dalam media yang diberikan: n1 = c=v1 , n2 = c=v2 . Mengganti ini menjadi (4.4), kita mendapatkan:
Formula (4.5 ) secara alami menggeneralisasikan formula (4.3 ). Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias sama dengan perbandingan cepat rambat cahaya di medium pertama dengan cepat rambat cahaya di medium kedua.
4.3.4 Refleksi internal total
Ketika sinar cahaya melewati media yang lebih rapat secara optik ke media yang kurang rapat secara optik, sebuah fenomena menarik diamati - pemantulan internal total. Mari kita lihat apa itu.
Mari kita asumsikan dengan pasti bahwa cahaya berpindah dari air ke udara. Mari kita asumsikan bahwa ada sumber titik cahaya S di kedalaman reservoir, memancarkan sinar ke segala arah. Kita akan melihat beberapa sinar ini (Gbr. 4.15).
S B 1
Beras. 4.15. Refleksi internal total
Balok SO1 jatuh di permukaan air dengan sudut terkecil. Berkas ini sebagian dibiaskan (berkas O1 A1 ) dan sebagian dipantulkan kembali ke dalam air (berkas O1 B1 ). Dengan demikian, sebagian energi dari sinar datang ditransfer ke sinar bias, dan sisa energi ditransfer ke sinar yang dipantulkan.
Sudut datang berkas SO2 lebih besar. Berkas ini juga terbagi menjadi dua yaitu sinar bias dan sinar pantul. Tetapi energi sinar asli didistribusikan di antara mereka dengan cara yang berbeda: sinar bias O2 A2 akan lebih redup daripada sinar O1 A1 (yaitu, ia akan menerima bagian energi yang lebih kecil), dan sinar pantul O2 B2 akan menjadi lebih terang dari sinar O1 B1 (ini akan menerima bagian energi yang lebih besar).
Ketika sudut datang meningkat, keteraturan yang sama dapat dilacak: bagian yang meningkat dari energi sinar datang ke sinar yang dipantulkan, dan bagian yang lebih kecil ke sinar yang dibiaskan. Sinar yang dibiaskan menjadi redup dan redup, dan pada titik tertentu ia menghilang sepenuhnya!
Penghilangan ini terjadi ketika sudut datang mencapai 0, yang sesuai dengan sudut bias 90 . Dalam situasi ini, sinar bias OA harus sejajar dengan permukaan air, tetapi tidak ada yang tersisa Semua energi sinar datang SO pergi sepenuhnya ke sinar pantul OB.
Dengan peningkatan lebih lanjut dalam sudut datang, sinar yang dibiaskan bahkan tidak akan ada.
Fenomena yang digambarkan adalah refleksi internal total. Air tidak memancarkan sinar ke luar dengan sudut datang sama dengan atau lebih besar dari nilai 0, semua sinar tersebut seluruhnya dipantulkan kembali ke dalam air. Sudut 0 disebut sudut pembatas pantul total.
Nilai 0 mudah ditemukan dari hukum pembiasan. Kita punya:
dosa 0 | ||||||||||
Tapi sin 90 = 1, jadi | ||||||||||
dosa 0 | ||||||||||
0 = arcsin | ||||||||||
Jadi, untuk air, sudut batas pantul total sama dengan:
0 = arcsin1; 1 33 48;8:
Anda dapat dengan mudah mengamati fenomena refleksi internal total di rumah. Tuang air ke dalam gelas, angkat dan lihat permukaan air sedikit dari bawah melalui dinding gelas. Anda akan melihat kilau keperakan di permukaan karena refleksi internal total, berperilaku seperti cermin.
Aplikasi teknis yang paling penting dari refleksi internal total adalah serat optik. Sinar cahaya diluncurkan ke kabel serat optik (serat optik) hampir sejajar dengan porosnya, jatuh di permukaan pada sudut yang besar dan sepenuhnya dipantulkan kembali ke kabel tanpa kehilangan energi. Berulang kali dipantulkan, sinar semakin jauh, mentransfer energi melalui jarak yang cukup jauh. Komunikasi serat optik digunakan, misalnya, dalam jaringan televisi kabel dan akses Internet berkecepatan tinggi.
Tanpa ragu, Anda tahu bagaimana pahlawan novel Jules Verne "The Mysterious Island", ditinggalkan di tanah tak berpenghuni, terbakar tanpa korek api dan batu. Petir datang membantu Robinson, menyalakan pohon, tetapi Robinsons baru dari Jules Verne tidak terbantu secara kebetulan, tetapi oleh kecerdasan seorang insinyur yang berpengetahuan luas dan pengetahuannya yang kuat tentang hukum fisika. Ingatlah betapa terkejutnya pelaut naif Pencroft ketika, kembali dari perburuan, ia menemukan seorang insinyur dan seorang jurnalis di depan sebuah api yang menyala-nyala.
“Tetapi siapa yang menyalakan api?” tanya pelaut itu.
"Matahari," jawab Spilett.
Wartawan itu tidak bercanda. Memang, Matahari memberikan api yang sangat dikagumi pelaut. Dia tidak bisa mempercayai matanya dan sangat kagum sehingga dia bahkan tidak bisa menanyai insinyur itu.
"Jadi, Anda memiliki gelas yang terbakar?" Herbert bertanya kepada insinyur itu.
Tidak, tapi aku berhasil.
Dan dia menunjukkannya. Itu hanyalah dua gelas yang diambil oleh insinyur dari arlojinya dan Spilett. Dia menghubungkan ujung-ujungnya dengan tanah liat, setelah sebelumnya mengisinya dengan air, dan dengan demikian diperoleh lentil pembakar yang nyata, yang dengannya, dengan memusatkan sinar matahari pada lumut kering, insinyur membuat api.
Pembaca akan berharap, saya pikir, untuk mengetahui mengapa perlu mengisi ruang antara gelas arloji dengan air: bukankah miju-miju bikonveks diisi dengan sinar konsentrat udara?
Tepat tidak. Kaca arloji dibatasi oleh dua permukaan paralel (konsentris) - luar dan dalam; dan diketahui dari fisika bahwa, melewati media yang dibatasi oleh permukaan seperti itu, sinar hampir tidak mengubah arahnya. Melewati kemudian melalui gelas kedua dari jenis yang sama, mereka juga tidak menyimpang di sini, dan karena itu tidak berkumpul menjadi fokus. Untuk memusatkan sinar pada satu titik, perlu untuk mengisi ruang antara kacamata dengan beberapa zat transparan yang akan membiaskan sinar lebih kuat daripada udara. Begitu pula insinyur dalam novel Jules Verne.
Satu teko air biasa, jika berbentuk bulat, juga bisa berfungsi sebagai lentil pembakar. Ini sudah diketahui oleh orang dahulu, yang juga memperhatikan bahwa air itu sendiri tetap dingin. Bahkan terjadi bahwa sebotol air yang berdiri di jendela yang terbuka menyalakan tirai, taplak meja, dan membuat meja hangus. Botol bulat besar dengan air berwarna, yang menurut kebiasaan kuno, digunakan untuk menghiasi jendela apotek, terkadang dapat menyebabkan bencana nyata, menyebabkan penyalaan zat yang mudah terbakar yang terletak di dekatnya.
Dengan labu bundar kecil yang diisi dengan air, bahkan jika labu itu kecil, adalah mungkin untuk merebus air yang dituangkan ke gelas arloji: labu berdiameter 12 sentimeter sudah cukup untuk ini. Pada 15 cm pada fokus [fokus ditempatkan sangat dekat dengan bola lampu] suhu 120° diperoleh. Menyalakan sebatang rokok dengan sebotol air semudah menyalakan lentil kaca, yang ditulis Lomonosov dalam puisinya "Tentang Manfaat Kaca":
Kami mendapatkan nyala kaca yang cerah di sini
Dan kami meniru Prometheus dengan nyaman.
Mengutuk kekejaman kebohongan kikuk ini,
Kami merokok tembakau dengan api surgawi tanpa dosa.
Perlu dicatat, bagaimanapun, bahwa efek pembakar lensa air jauh lebih lemah daripada lensa kaca. Hal ini disebabkan, pertama, fakta bahwa pembiasan cahaya dalam air jauh lebih sedikit daripada di kaca, dan kedua, air sangat menyerap sinar inframerah, yang memainkan peran penting dalam memanaskan badan.
Sangat mengherankan bahwa efek pembakar dari lentil kaca diketahui oleh orang Yunani kuno, lebih dari satu milenium sebelum penemuan kacamata dan spotting scope. Aristophanes menyebutkan dia dalam komedi terkenal "Clouds". Socrates menawarkan Streptias tugas:
“Jika seseorang menulis kewajiban kepadamu dalam lima talenta, bagaimana kamu akan menghancurkannya?
Streptia. Saya telah menemukan cara untuk menghancurkan kewajiban, dan sedemikian rupa sehingga Anda sendiri mengenalinya sebagai licik! Pernahkah Anda melihat, tentu saja, di apotek sebuah batu transparan yang indah yang menyala?
Socrates. Kaca api?
Streptia. Tepat.
Socrates. Apa berikutnya?
Streptia. Sementara notaris sedang menulis, saya, berdiri di belakangnya, akan mengarahkan sinar Matahari ke kewajiban, dan kata-kata akan melelehkan segalanya ... "
Biarkan saya mengingatkan Anda untuk klarifikasi bahwa orang Yunani pada zaman Aristophanes menulis pada tablet lilin, yang mudah meleleh karena panas.
Bagaimana cara membuat api dengan es?
Es juga dapat berfungsi sebagai bahan untuk lensa bikonveks, dan karenanya untuk membuat api, jika cukup transparan. Pada saat yang sama, es, yang membiaskan sinar, tidak memanas dan tidak meleleh. Indeks bias es hanya sedikit lebih kecil dari indeks bias air, dan jika, seperti yang telah kita lihat, adalah mungkin untuk membuat api dengan bola air, adalah mungkin untuk melakukannya dengan lentil es.
Lentil es melakukan pekerjaan yang baik dalam Pelayaran Kapten Hatteras Jules Verne Dr Clouboni menyalakan api dengan cara ini ketika para pelancong kehilangan batu api mereka dan menemukan diri mereka tanpa api, dalam es yang mengerikan 48 derajat.
"Ini bencana," kata Hatteras kepada dokter.
"Ya," jawabnya.
“Kami bahkan tidak memiliki teropong yang dapat digunakan untuk mengambil miju-miju dan membuat api.
"Saya tahu," jawab dokter, "dan sayang sekali saya tidak tahu: sinar matahari cukup kuat untuk menyalakan rabuk."
- Apa yang harus dilakukan, Anda harus memuaskan rasa lapar Anda dengan daging beruang mentah, - kata Hatteras.
"Ya," kata dokter sambil berpikir, "paling tidak. Tapi kenapa kita tidak...
- Apa yang kamu pikirkan? tanya Hatteras.
“Saya mendapat ide…
- Pikiran? seru nakhoda perahu. - Jika Anda memiliki pemikiran, maka kita diselamatkan!
"Saya tidak tahu bagaimana itu bisa terjadi," sang dokter ragu-ragu.
- Apa yang kamu temukan? tanya Hattera.
Kami tidak punya lentil, tapi kami akan membuatnya.
- Bagaimana? tanya si tukang perahu.
- Kami menggiling dari sepotong es.
- Menurut mu...
- Kenapa tidak? Lagi pula, hanya perlu sinar matahari dibawa ke satu titik, dan untuk tujuan ini es dapat menggantikan kristal terbaik bagi kita. Hanya saya lebih suka sepotong es air tawar: lebih kuat dan lebih transparan.
"Di sini, jika saya tidak salah, balok es ini," pengemudi perahu menunjuk pada gumpalan es yang terapung sekitar seratus langkah dari para pelancong, "dilihat dari warnanya, itulah yang Anda butuhkan."
- Kamu benar. Ambil kapakmu. Mari kita pergi teman-teman saya.
Ketiganya menuju ke bongkahan es yang ditunjuk, ternyata es tersebut adalah air tawar.
Dokter memerintahkan agar sepotong es, berdiameter satu kaki, dipotong, dan dia mulai memotongnya dengan kapak. Kemudian dia memotongnya dengan pisau, dan akhirnya secara bertahap memolesnya dengan tangannya. Ternyata lentil transparan, seolah-olah dari kristal terbaik. Matahari cukup cerah. Dokter memaparkan lentil ke baloknya dan memfokuskannya pada sumbu. Beberapa detik kemudian, tinder terbakar.”
Gambar 113. "Dokter memusatkan sinar Matahari pada sumbu."
Kisah Jules Verne tidak sepenuhnya fantastis: eksperimen tentang penerangan pohon dengan lentil dingin, pertama kali berhasil dilakukan di Inggris dengan lentil yang sangat besar pada awal tahun 1763, sejak itu telah berulang kali dilakukan dengan sukses penuh. Tentu saja sulit untuk membuatnyatransparanes lentil menggunakan alat seperti kapak, pisau, dan "hanya dengan satu tangan" (dalam suhu beku 48 derajat!), tetapi Anda dapat membuat es lentil lebih mudah: tuangkan air ke dalam cangkir dengan bentuk yang sesuai dan bekukan, lalu, setelah sedikit menghangatkan cangkir, keluarkan dari lentilnya yang dimasak.
Beras. 114. Cangkir untuk membuat es lentil.
Dalam melakukan percobaan seperti itu, jangan lupa bahwa itu hanya mungkin pada hari yang sangat dingin dan di udara terbuka, tetapi tidak di ruangan di belakang kaca jendela: kaca menyerap sebagian besar energi sinar matahari dan tidak cukup tersisa untuk menyebabkan pemanasan yang signifikan.
Dengan bantuan sinar matahari
Lakukan eksperimen lain, juga mudah dilakukan di musim dingin. Berbaring di salju, dibanjiri sinar matahari, dua potong kain dengan ukuran yang sama, terang dan hitam. Setelah satu atau dua jam, Anda akan melihat bahwa tambalan hitam telah tenggelam ke dalam salju, sementara yang terang tetap pada tingkat yang sama. Tidak sulit untuk menemukan alasan perbedaan seperti itu: di bawah petak hitam, salju mencair lebih kuat, karena kain gelap menyerap sebagian besar sinar matahari yang jatuh di atasnya; cahaya, sebaliknya, menyebarkan sebagian besar dari mereka dan karena itu memanas kurang dari hitam.
Eksperimen instruktif ini pertama kali dilakukan oleh pejuang kemerdekaan Amerika Serikat yang terkenal, Benjamin Franklin, yang mengabadikan dirinya sebagai fisikawan dengan menciptakan penangkal petir. "Saya mengambil dari penjahit beberapa potong kain persegi dengan berbagai warna. Di antaranya adalah: hitam, biru tua, biru muda, hijau, ungu, merah, putih dan berbagai warna dan corak lainnya. Suatu pagi yang cerah dan cerah. Saya meletakkan semua potongan ini di atas salju. Setelah beberapa jam, potongan hitam, yang telah memanas lebih dari yang lain, tenggelam begitu dalam sehingga sinar matahari tidak bisa lagi mencapainya; biru tua tenggelam hampir sebanyak hitam; biru muda jauh lebih sedikit; warna lain semakin tenggelam, semakin terang, sementara Putih tetap di permukaan, yaitu, tidak tenggelam sama sekali.”
“Apa gunanya sebuah teori jika tidak ada manfaat yang dapat diperoleh darinya?” dia berseru pada kesempatan ini dan melanjutkan: “Tidak bisakah kita menyimpulkan dari pengalaman ini bahwa gaun hitam di iklim cerah yang hangat kurang cocok daripada gaun putih karena di bawah sinar matahari itu memanaskan tubuh kita lebih, dan jika kita masih membuat gerakan yang menghangatkan diri kita sendiri, maka panas yang berlebihan terbentuk? yang menyebabkan sengatan matahari di beberapa? ... Selanjutnya, tidak bisakah dinding yang menghitam menyerap begitu banyak panas matahari selama hari untuk tetap hangat sampai batas tertentu di malam hari dan melindungi buah dari embun beku?
Apa kesimpulan dan aplikasi yang berguna ini dapat ditunjukkan oleh contoh ekspedisi kutub selatan Jerman tahun 1903 di kapal Gauss. Kapal itu dibekukan dalam es, dan semua metode pelepasan yang biasa tidak membuahkan hasil apa pun. , hanya dihapus beberapa ratus meter kubik es dan tidak membebaskan kapal. Kemudian mereka beralih ke bantuan sinar matahari: mereka membuat potongan abu gelap dan batu bara di atas es dengan panjang 2 km dan lebar sepuluh meter; itu mengarah dari kapal ke celah lebar terdekat di es, hari-hari panjang yang cerah di musim panas kutub, dan sinar matahari melakukan apa yang tidak dapat dilakukan oleh dinamit dan gergaji: es, setelah mencair, pecah di sepanjang tumpukan tumpukan, dan kapal dibebaskan dari es .
Lama dan baru tentang fatamorgana
Mungkin semua orang tahu apa penyebab fisik dari fatamorgana biasa. Pasir panas gurun memperoleh sifat cermin karena lapisan udara panas yang berdekatan dengannya memiliki kerapatan yang lebih rendah daripada lapisan di atasnya. Seberkas cahaya miring dari objek yang sangat jauh, setelah mencapai lapisan udara ini, membelokkan jalurnya di dalamnya sehingga dalam gerakan selanjutnya ia kembali bergerak menjauh dari tanah dan mengenai mata pengamat, seolah-olah dipantulkan dari cermin pada jarak yang sangat jauh. sudut datang yang besar. Dan tampaknya bagi pengamat bahwa permukaan air menyebar di depannya di padang pasir, memantulkan benda-benda pantai (Gbr. 115).
Beras. 115. Bagaimana fatamorgana muncul di padang pasir. Gambar ini, biasanya direproduksi dalam buku teks, mewakili jalur berkas cahaya yang miring ke tanah dengan cara yang sangat curam.
Akan lebih tepat, bagaimanapun, untuk mengatakan bahwa lapisan udara yang dipanaskan di dekat tanah yang panas memantulkan sinar tidak seperti cermin, tetapi seperti permukaan air yang dilihat dari kedalaman air. Apa yang terjadi di sini bukanlah refleksi sederhana, tetapi apa yang dalam bahasa fisika disebut "refleksi internal". Untuk ini, sinar cahaya perlu memasuki lapisan udara dengan sangat lembut - lebih lembut daripada yang ditunjukkan pada Gambar kami yang disederhanakan. 115; jika tidak maka tidak akan dilampaui " sudut pembatas" dari insiden balok, dan tanpa ini, refleksi internal tidak diperoleh.
Kami mencatat satu poin dari teori ini, yang dapat menimbulkan kesalahpahaman. Penjelasan di atas membutuhkan susunan lapisan udara seperti itu, di mana lapisan yang lebih padat akan lebih tinggi daripada yang kurang padat. Namun, kita tahu bahwa udara yang padat dan berat cenderung tenggelam dan memaksa lapisan gas ringan di bawahnya ke atas. Bagaimana bisa ada susunan lapisan-lapisan udara padat dan jernih, yang diperlukan untuk munculnya fatamorgana?
Beras. 116. Fatamorgana di aspal.
Jawabannya terletak pada kenyataan bahwa susunan lapisan udara yang diperlukan bukanlah pada udara diam, melainkan pada udara yang bergerak. Lapisan udara yang dipanaskan oleh tanah tidak berhenti di atasnya, tetapi terus-menerus dipaksa ke atas dan segera digantikan oleh lapisan udara panas yang baru. Perubahan terus-menerus menentukan bahwa lapisan tertentu dari udara yang dijernihkan selalu berdampingan dengan pasir panas, meskipun tidak sama, tetapi ini sudah tidak peduli dengan arah sinar.
Jenis fatamorgana yang kita pertimbangkan telah dikenal sejak zaman kuno. Dalam meteorologi modern, ini disebut fatamorgana "bawah" (berlawanan dengan fatamorgana "atas", yang dihasilkan oleh pantulan sinar cahaya oleh lapisan udara yang dijernihkan di atmosfer atas). Kebanyakan orang yakin bahwa fatamorgana klasik ini hanya dapat diamati di udara pengap di gurun selatan dan tidak terjadi di lebih banyak garis lintang utara.
Sementara itu, fatamorgana yang lebih rendah sering terjadi di daerah kami. Fenomena seperti itu terutama sering terjadi di musim panas di jalan aspal dan aspal, yang, karena warnanya yang gelap, menjadi sangat panas di bawah sinar matahari. Permukaan jalan yang matte kemudian tampak dari jauh seolah-olah disiram air dan memantulkan benda-benda yang jauh. Jalur sinar cahaya dalam fatamorgana ini ditunjukkan pada Gambar. 116. Dengan beberapa pengamatan, fenomena seperti itu tidak jarang terlihat seperti yang umumnya dipikirkan.
Ada jenis fatamorgana lain - fatamorganasamping, yang keberadaannya biasanya bahkan tidak dicurigai. Ini adalah refleksi dari dinding tipis yang dipanaskan. Kasus seperti itu dijelaskan oleh seorang penulis Prancis. Mendekati benteng benteng, dia memperhatikan bahwa dinding beton benteng yang rata tiba-tiba bersinar seperti cermin, memantulkan lanskap, tanah, langit di sekitarnya. Mengambil beberapa langkah lagi, dia melihat perubahan yang sama di dinding benteng lainnya. Sepertinya permukaan abu-abu yang tidak rata tiba-tiba digantikan oleh yang dipoles. Itu adalah hari yang gerah, dan dindingnya pasti menjadi sangat panas, yang merupakan kunci dari spekularitas mereka. pada gambar. 117 menunjukkan lokasi tembok benteng (F dan F") dan lokasi pengamat (A dan A"). Ternyata fatamorgana diamati setiap kali dinding cukup panas oleh sinar matahari.Kami bahkan berhasil memotret fenomena ini.
pada gambar. 118 menunjukkan (di sebelah kiri) dinding F benteng, matte pertama, dan kemudian mengkilap (di sebelah kanan), seperti cermin (diambil dari titik A"). Gambar kiri menunjukkan beton abu-abu biasa, di mana, tentu saja, sosok dua di sebelah kanan - dinding yang sama untuk sebagian besar telah memperoleh sifat cermin, dan sosok prajurit terdekat memberikan gambar simetris di dalamnya.Tentu saja, bukan permukaan dinding itu sendiri yang memantulkan sinar , tetapi hanya lapisan udara panas yang berdekatan dengannya.
Beras. 117. Rencana benteng tempat fatamorgana diamati. Dinding F tampak seperti cermin dari titik A, dinding F" - dari titik A"
Beras. 118. Dinding abu-abu yang tidak rata (kiri) tiba-tiba menjadi seperti dipoles, reflektif (kanan).
Pada hari-hari musim panas, seseorang harus memperhatikan dinding bangunan besar yang dipanaskan dan mencari fenomena fatamorgana. Tidak diragukan lagi, dengan sedikit perhatian, jumlah kasus fatamorgana yang diamati akan meningkat secara nyata.
"balok hijau"
"Pernahkah Anda mengamati matahari terbenam di bawah cakrawala laut? Ya, tidak diragukan lagi. Apakah Anda mengikutinya sampai saat tepi atas piringan menyentuh cakrawala dan kemudian menghilang? Mungkin ya. Tapi pernahkah Anda memperhatikannya? fenomena apa yang terjadi pada saat luminer bercahaya memancarkan sinar terakhirnya, jika langit bebas awan dan benar-benar transparan? warna yang tidak dapat diperoleh seniman pada paletnya dan alam itu sendiri tidak mereproduksi, baik dalam berbagai warna vegetasi, atau dalam warna laut yang paling transparan.
Catatan serupa di sebuah surat kabar Inggris membuat pahlawan wanita muda dari novel Jules Verne "The Green Ray" menjadi bersemangat dan mendorongnya untuk melakukan serangkaian perjalanan dengan satu-satunya tujuan melihat sinar hijau dengan matanya sendiri. tidak mampu, seperti yang dikatakan novelis, untuk mengamati fenomena alam yang indah ini. Tapi itu masih ada. Sinar hijau bukanlah legenda, meskipun ada banyak hal legendaris yang terkait dengannya. Ini adalah fenomena yang dapat dikagumi oleh setiap pecinta alam. jika dia mencarinya dengan kesabaran.
Mengapa sinar hijau muncul?
Anda akan memahami penyebab fenomena tersebut jika Anda ingat dalam bentuk apa objek tampak bagi kita ketika kita melihatnya melalui prisma kaca. Lakukan percobaan ini: pegang prisma di dekat mata secara horizontal dengan sisi lebar menghadap ke bawah dan lihat melaluinya pada selembar kertas yang disematkan ke dinding. Anda akan melihat bahwa daun, pertama, telah naik jauh lebih tinggi dari posisi sebenarnya, dan kedua, ia memiliki batas ungu-biru di bagian atas, dan kuning-merah di bagian bawah. Menaikkan tergantung pada pembiasan cahaya, batas berwarna - padapenyebarankaca, yaitu sifat kacatidak meratamembiaskan sinar yang berbedawarna.Sinar ungu dan sinar biru dibiaskan lebih kuat daripada sinar lainnya, jadi kita melihat batas biru-ungu di bagian atas; yang merah dibiaskan paling lemah, dan oleh karena itu tepi bawah lembaran kertas kami memiliki batas merah.
Untuk pemahaman yang lebih baik tentang apa yang berikut, perlu untuk memikirkan asal usul batas berwarna ini. Prisma menguraikan cahaya putih yang memancar dari kertas menjadi semua warna spektrum, memberikan banyak gambar berwarna dari selembar kertas, disusun, sebagian ditumpangkan satu sama lain, dalam urutan pembiasan. Dari aksi simultan ini ditumpangkan. Di atas satu sama lain gambar berwarna, mata mendapatkan rasa warna putih (penambahan warna spektral), tetapi di bagian atas dan bawah ada tepi warna yang tidak dapat bercampur. Penyair terkenal Goethe, yang menjalani eksperimen ini dan tidak memahami artinya, membayangkan bahwa ia telah mengungkap kepalsuan doktrin warna Newton, dan kemudian menulis "Ilmu warna" sendiri, yang hampir seluruhnya didasarkan pada ide-ide palsu. Pembaca, mungkin, tidak akan mengulangi delusi penyair besar dan tidak akan berharap bahwa prisma akan mewarnai ulang semua benda untuknya. Atmosfer bumi bagi mata kita seperti prisma udara besar yang menghadap ke bawah. Melihat Matahari di cakrawala, kita melihatnya melalui prisma gas. Cakram Matahari menerima di bagian atas ada perbatasan biru dan hijau, di bagian bawah - merah-kuning. Sementara Matahari di atas cakrawala, cahaya piringan menyela garis-garis berwarna yang jauh lebih cerah dengan kecerahannya, dan kita tidak memperhatikannya sama sekali. Tetapi pada saat matahari terbit dan terbenam, ketika hampir semua piringannya tersembunyi di bawah cakrawala, kita dapat melihat batas biru bagian atas tepi.Ini dua warna: di atas adalah garis biru, di bawah - biru, dari campuran balok biru dan hijau yang. Ketika udara di dekat cakrawala benar-benar jernih dan transparan, kita melihat lingkaran biru - "sinar biru". Tetapi lebih sering sinar biru dihamburkan oleh atmosfer dan hanya satu lingkaran hijau yang tersisa: fenomena "sinar hijau". . Akhirnya, dalam banyak kasus, sinar biru dan hijau juga tersebar oleh atmosfer berawan - maka tidak ada batas yang terlihat: Matahari terbenam dalam bola merah.
Astronom Pulkovo G. A. Tikhov, yang mengabdikan studi khusus untuk "sinar hijau", melaporkan beberapa tanda visibilitas fenomena ini: "Jika Matahari memiliki warna merah saat matahari terbenam dan mudah untuk melihatnya dengan mata sederhana, maka kita dapat mengatakan dengan yakin bahwa tidak akan ada sinar hijau". Alasannya jelas: warna merah piringan surya menunjukkan hamburan kuat sinar biru dan hijau oleh atmosfer, yaitu, seluruh tepi piringan atas. “Sebaliknya,” lanjut astronom itu, “jika Matahari hanya sedikit berubah warna kuning keputihan seperti biasanya dan terbenam sangat terang (yaitu, jika penyerapan cahaya oleh atmosfer kecil. –AKU P.), maka kemungkinan besar kita dapat mengharapkan sinar hijau. Tetapi di sini penting bahwa cakrawala menjadi garis yang tajam, tanpa penyimpangan, hutan di dekatnya, bangunan, dll. Kondisi ini paling baik dipenuhi di laut; itulah sebabnya sinar hijau sangat dikenal oleh para pelaut.”
Jadi, untuk melihat "sinar hijau", Anda perlu mengamati Matahari pada saat matahari terbenam atau terbit dengan langit yang sangat cerah. Di negara-negara selatan, langit di dekat cakrawala lebih transparan daripada kita, sehingga "hijau" fenomena beam” lebih sering diamati di sana. Tetapi di negara kita tidak jarang seperti yang dipikirkan banyak orang, mungkin di bawah pengaruh novel Jules Verne. Pencarian terus-menerus untuk "sinar hijau" cepat atau lambat dihargai dengan sukses. Itu terjadi untuk menangkap fenomena indah ini bahkan dengan teleskop. Dua astronom Alsatian menggambarkan pengamatan seperti itu sebagai berikut:
"... Pada menit terakhir sebelum matahari terbenam, ketika, oleh karena itu, bagian yang nyata darinya masih terlihat, piringan itu, yang bergerak bergelombang, tetapi batasnya tegas, dikelilingi oleh lingkaran hijau. Sampai Matahari benar-benar diatur, tepi ini tidak terlihat dengan mata telanjang. Itu menjadi terlihat hanya pada saat hilangnya Matahari sepenuhnya di balik cakrawala.Jika Anda melihat melalui teleskop dengan perbesaran yang cukup kuat (sekitar 100 kali), Anda dapat melacak secara rinci semua fenomena: perbatasan hijau menjadi terlihat selambat-lambatnya 10 menit sebelum matahari terbenam, itu membatasi disk bagian atas, sedangkan dari bawah ada perbatasan merah.Lebar perbatasan, pada awalnya sangat kecil (hanya beberapa detik busur), meningkat saat Matahari terbenam; terkadang mencapai hingga setengah menit busur. Tonjolan hijau sering diamati di atas tepi hijau, yang, dengan menghilangnya Matahari secara bertahap seolah-olah meluncur di sepanjang tepinya ke titik tertinggi; terkadang mereka terlepas dari tepi dan bersinar secara terpisah selama beberapa detik, sampai mereka keluar” (Gbr. 119).
Beras. 119. Pengamatan jangka panjang dari "sinar hijau", pengamat melihat "sinar hijau" di belakang pegunungan selama 5 menit. Di atas di sebelah kanan adalah "sinar hijau" yang terlihat melalui teleskop. Piringan Matahari memiliki kontur yang tidak beraturan. Di posisi 1, kecemerlangan piringan surya membutakan mata dan mencegah batas hijau terlihat dengan mata telanjang. Di posisi 2, ketika piringan Matahari hampir menghilang, "sinar hijau" dapat diakses dengan mata telanjang.
Biasanya fenomena itu berlangsung satu atau dua detik. Tetapi dalam keadaan luar biasa, durasinya terasa diperpanjang. Sebuah kasus dicatat ketika "sinar hijau" diamati selama lebih dari 5 menit! Matahari terbenam di belakang gunung yang jauh, dan pengamat yang bergerak cepat melihat batas hijau piringan matahari, seolah-olah meluncur di sepanjang lereng gunung (Gbr. .119).
Kasus yang sangat instruktif mengamati "sinar hijau" dimatahari terbitMatahari, ketika tepi atas termasyhur mulai muncul dari bawah cakrawala. Ini membantah dugaan yang sering diungkapkan bahwa "sinar hijau" adalah ilusi optik yang menyerah pada mata ketika lelah dengan kecemerlangan terang dari Matahari yang baru terbenam.
Matahari bukan satu-satunya termasyhur yang mengirimkan "sinar hijau". Kebetulan melihat fenomena ini dihasilkan oleh pengaturan Venus [Tentang fatamorgana dan sinar hijau, Anda dapat belajar dari buku bagus karya M. Minnart "Cahaya dan Warna" di alam". Fizmatgiz, 1958Catatan. ed.].
Pembiasan cahaya adalah perubahan arah berkas cahaya pada batas dua media yang berbeda kerapatan.
Penjelasan: seberkas cahaya, jatuh ke dalam air, berubah arah di perbatasan dua media (yaitu, di permukaan air). Sinar secara harfiah dibiaskan. Fenomena ini disebut pembiasan cahaya. Hal ini terjadi karena air dan udara memiliki massa jenis yang berbeda. Air lebih padat daripada udara, dan kecepatan seberkas cahaya yang jatuh di permukaannya melambat. Jadi, air adalah media optik yang lebih rapat.
Kerapatan optik medium dicirikan oleh kecepatan perambatan cahaya yang berbeda.
sudut bias () adalah sudut yang dibentuk oleh sinar bias dan tegak lurus terhadap titik datang sinar pada antarmuka antara dua media.
Penjelasan:
Sinar jatuh di permukaan air pada titik tertentu dan dibiaskan. Mari kita menggambar tegak lurus dari titik ini ke arah yang sama di mana sinar bias "kiri" - dalam kasus kami, tegak lurus diarahkan ke bagian bawah reservoir. Sudut yang dibentuk oleh tegak lurus dan sinar bias ini disebut sudut bias.
Jika cahaya merambat dari medium optis kurang rapat ke medium optis lebih rapat, maka sudut bias selalu lebih kecil dari sudut datang.
Misalnya, cahaya yang jatuh ke dalam air memiliki sudut datang yang lebih besar daripada sudut bias. Alasannya adalah bahwa air adalah media yang lebih padat daripada udara.
Untuk dua media dengan kerapatan optik yang berbeda, rumus berikut ini benar:
dosa α
---
= n
dosaϒ
di mana n adalah nilai konstan yang tidak bergantung pada sudut datang.
Penjelasan:
Mari kita ambil tiga sinar yang jatuh ke dalam air.
Sudut datangnya adalah 30°, 45°, dan 60°.
Sudut bias sinar-sinar tersebut berturut-turut adalah 23°, 33°, dan 42°.
Jika kita membuat rasio sudut datang dan sudut bias, kita mendapatkan angka yang sama:
dosa 30° dosa 45° dosa 60°
--- = --- = ---
≅ 1,3
sin 23° sin 33° sin 42°
Jadi, jika kita membagi sudut datang sinar ke dalam air dan sudut biasnya, kita mendapatkan 1,3. Ini adalah konstanta ( n ), yang ditemukan menggunakan rumus di atas.
Sinar datang, sinar bias, dan garis tegak lurus yang ditarik dari titik datang sinar terletak pada bidang yang sama.
REFRAKSI CAHAYA SELAMA TRANSISI DARI AIR KE UDARA
Sebatang tongkat yang dicelupkan ke dalam air, sendok di dalam segelas teh, karena pembiasan cahaya di permukaan air, bagi kita tampak dibiaskan.
Tempatkan koin di bagian bawah wadah buram agar tidak terlihat. Sekarang tuangkan air ke dalam wadah. Koin akan terlihat. Penjelasan dari fenomena ini jelas dari video.
Lihatlah dasar kolam dan coba perkirakan kedalamannya. Sebagian besar waktu, itu tidak bekerja dengan benar.
Mari kita telusuri lebih detail bagaimana dan seberapa besar kedalaman reservoir yang menurut kita berkurang jika kita melihatnya dari atas.
Misalkan H (Gbr. 17) adalah kedalaman reservoir yang sebenarnya, yang di dasarnya terletak benda kecil, seperti kerikil. Cahaya yang dipantulkan olehnya menyebar ke segala arah. Seberkas sinar tertentu jatuh di permukaan air di titik O dari bawah dengan sudut a 1 , dibiaskan di permukaan dan masuk ke mata. Menurut hukum pembiasan, kita dapat menulis:
tetapi karena n 2 \u003d 1, maka n 1 sin a 1 \u003d sin 1.
Sinar bias masuk ke mata di titik B. Perhatikan bahwa tidak satu sinar masuk ke mata, tetapi seberkas sinar, yang penampangnya dibatasi oleh pupil mata.
Pada Gambar 17, balok ditampilkan sebagai garis tipis. Namun, balok ini sempit, dan kita dapat mengabaikan penampang melintangnya, dengan mengambilnya sebagai garis AOB.
Mata memproyeksikan A ke titik A 1, dan kedalaman reservoir bagi kita tampaknya sama dengan h.
Dapat dilihat dari gambar bahwa kedalaman semu reservoir h tergantung pada nilai sebenarnya dari H dan pada sudut pengamatan 1 .
Mari kita nyatakan ketergantungan ini secara matematis.
Dari segitiga AOC dan A 1 OS kita memiliki:
Mengecualikan OS dari persamaan ini, kita mendapatkan:
Mengingat bahwa a \u003d 1 dan sin 1 \u003d n 1 sin a 1 \u003d n sin a, kita mendapatkan:
Dalam rumus ini, ketergantungan kedalaman semu reservoir h pada kedalaman sebenarnya H dan sudut pengamatan tidak muncul secara eksplisit. Untuk representasi yang lebih jelas dari ketergantungan ini, mari kita nyatakan secara grafis.
Pada grafik (Gbr. 18), di sepanjang sumbu absis, nilai sudut pengamatan diplot dalam derajat, dan di sepanjang sumbu ordinat, kedalaman nyata yang sesuai dengannya h dalam fraksi dari kedalaman aktual H. Hasil yang dihasilkan kurva menunjukkan bahwa pada sudut pandang kecil, kedalaman tampak
adalah sekitar dari nilai sebenarnya dan menurun seiring dengan meningkatnya sudut pandang. Pada sudut pengamatan a = 47°, terjadi pemantulan internal total dan sinar tidak dapat lepas dari air.
MIrage
Dalam medium yang tidak homogen, cahaya tidak merambat dalam garis lurus. Jika kita membayangkan medium di mana indeks bias berubah dari bawah ke atas, dan secara mental membaginya menjadi lapisan horizontal tipis,
kemudian, dengan mempertimbangkan kondisi pembiasan cahaya selama transisi dari lapisan ke lapisan, kami mencatat bahwa dalam media seperti itu berkas cahaya harus secara bertahap mengubah arahnya (Gbr. 19, 20).
Kelengkungan berkas cahaya seperti itu terjadi di atmosfer, di mana, karena satu dan lain alasan, terutama karena pemanasannya yang tidak merata, indeks bias udara berubah dengan ketinggian (Gbr. 21).
Udara biasanya dipanaskan oleh tanah, yang menyerap energi sinar matahari. Oleh karena itu, suhu udara menurun dengan ketinggian. Diketahui juga bahwa kerapatan udara berkurang dengan ketinggian. Telah ditetapkan bahwa dengan bertambahnya ketinggian, indeks bias menurun, sehingga sinar yang melewati atmosfer dibelokkan, ditekuk ke bawah ke Bumi (Gbr. 21). Fenomena ini disebut pembiasan atmosfer normal. Karena pembiasan, benda-benda langit tampak bagi kita agak "diangkat" (di atas ketinggian sebenarnya) di atas cakrawala.
Dihitung bahwa pembiasan atmosfer "meningkatkan" objek pada ketinggian 30° kali 1"40", pada ketinggian 15° - kali 3"30", pada ketinggian 5° - kali 9"45". Untuk benda-benda di cakrawala, nilai ini mencapai 35 ". Angka-angka ini menyimpang ke satu arah atau lainnya tergantung pada tekanan dan suhu atmosfer. Namun, karena satu dan lain alasan, massa udara dengan suhu lebih tinggi dari lapisan bawah. Mereka dapat dibawa oleh angin dari negara-negara panas, misalnya dari daerah gurun yang panas.Jika saat ini udara antisiklon yang dingin dan padat berada di lapisan bawah, maka fenomena pembiasan dapat meningkat secara signifikan dan sinar cahaya datang dari objek terestrial ke atas pada sudut tertentu ke cakrawala, mereka dapat kembali ke tanah (Gbr. 22).
Namun, mungkin saja terjadi bahwa di permukaan bumi, karena pemanasannya yang kuat, udara menjadi sangat panas sehingga indeks bias cahaya di dekat tanah menjadi kurang dari pada ketinggian tertentu di atas tanah. Jika pada saat yang sama ada cuaca yang tenang, maka kondisi ini dapat bertahan cukup lama. Kemudian sinar dari objek yang jatuh pada sudut yang cukup besar ke permukaan bumi dapat ditekuk sedemikian rupa sehingga, setelah menggambarkan busur di dekat permukaan bumi, mereka akan pergi dari bawah ke atas (Gbr. 23a). Kasus yang ditunjukkan pada Gambar 236 juga dimungkinkan.
Keadaan yang dijelaskan di atas di atmosfer menjelaskan terjadinya fenomena menarik - fatamorgana atmosfer. Fenomena ini biasanya dibagi menjadi tiga kelas. Kelas pertama termasuk yang paling umum dan sederhana asalnya, yang disebut fatamorgana danau (atau lebih rendah), yang menyebabkan begitu banyak harapan dan kekecewaan di antara para pelancong gurun.
Ahli matematika Prancis Gaspard Monge, yang berpartisipasi dalam kampanye Mesir tahun 1798, menggambarkan kesannya tentang kelas fatamorgana ini sebagai berikut:
“Ketika permukaan Bumi sangat panas oleh Matahari dan baru mulai mendingin sebelum senja, medan yang dikenal tidak lagi meluas ke cakrawala, seperti pada siang hari, tetapi berlalu, seperti yang terlihat, sekitar satu liga menjadi banjir terus menerus.
Desa-desa yang lebih jauh terlihat seperti pulau-pulau di danau yang luas. Di bawah setiap desa ada pantulannya yang terbalik, hanya saja tidak tajam, detail-detail kecil tidak terlihat, seperti pantulan di air yang diayunkan angin. Jika Anda mulai mendekati sebuah desa yang tampaknya dikelilingi oleh banjir, tepian air imajiner bergerak menjauh, cabang air yang memisahkan kami dari desa secara bertahap menyempit hingga menghilang sepenuhnya, dan danau ... sekarang dimulai di belakang ini desa, mencerminkan desa-desa yang terletak lebih jauh” (Gbr. 24).
Penjelasan untuk fenomena ini sederhana. Lapisan udara yang lebih rendah, yang dihangatkan oleh tanah, belum sempat naik; indeks bias mereka kurang dari yang atas. Oleh karena itu, sinar cahaya yang memancar dari benda-benda (misalnya, dari titik B pada pohon palem, Gambar 23a), membelok di udara, masuk ke mata dari bawah. Mata memproyeksikan sinar ke titik B 1 . Hal yang sama terjadi dengan sinar yang datang dari titik lain dari objek. Benda itu bagi pengamat tampak terbalik.
Dari mana airnya? Air adalah refleksi dari langit.
Untuk melihat fatamorgana, tidak perlu pergi ke Afrika. Ini dapat diamati pada hari musim panas yang panas dan tenang dan di atas permukaan jalan raya aspal yang panas.
Fatamorgana kelas kedua disebut fatamorgana penglihatan superior atau jauh. "Keajaiban yang belum pernah terjadi sebelumnya" yang dijelaskan oleh N.V. Gogol paling mirip dengan mereka. Kami memberikan deskripsi dari beberapa fatamorgana tersebut.
Dari Cote d'Azur Prancis, di pagi hari yang cerah, dari perairan Laut Mediterania, dari cakrawala, rantai pegunungan yang gelap naik, di mana penduduk mengenali Corsica. Jarak ke Corsica lebih dari 200 km, jadi garis pandang tidak mungkin.
Di pantai Inggris, dekat Hastings, orang dapat melihat pantai Prancis. Seperti yang dilaporkan oleh naturalis Niedige, “dekat Reggio di Calabria, di seberang pantai Sisilia dan kota Messina, seluruh area yang tidak dikenal dengan kawanan penggembalaan, hutan cemara, dan kastil terkadang terlihat di udara. Setelah tinggal di udara untuk waktu yang singkat, fatamorgana menghilang.
Fatamorgana penglihatan jauh muncul jika lapisan atas atmosfer menjadi sangat langka karena suatu alasan, misalnya, ketika udara panas tiba di sana. Kemudian sinar yang memancar dari objek terestrial ditekuk lebih kuat dan mencapai permukaan bumi, dengan sudut besar ke cakrawala. Mata pengamat memproyeksikan mereka ke arah di mana mereka memasukinya.
Rupanya, dalam hal itu sejumlah besar fatamorgana penglihatan jauh diamati di pantai Laut Mediterania, gurun Sahara yang harus disalahkan. Massa udara panas naik di atasnya, kemudian terbawa ke utara dan menciptakan kondisi yang menguntungkan untuk terjadinya fatamorgana.
Fatamorgana superior juga diamati di negara-negara utara ketika angin selatan yang hangat bertiup. Lapisan atas atmosfer dipanaskan, dan lapisan bawah didinginkan karena adanya massa besar es dan salju yang mencair.
Terkadang gambar objek langsung dan terbalik diamati. Gambar 25-27 menunjukkan dengan tepat fenomena yang diamati di garis lintang Arktik. Rupanya, di atas Bumi ada lapisan udara yang lebih padat dan lebih tipis bergantian, yang membelokkan sinar cahaya kira-kira seperti yang ditunjukkan pada Gambar 26.
Fatamorgana kelas ketiga - penglihatan ultra-panjang - sulit dijelaskan. Mari kita jelaskan beberapa di antaranya.
“Berdasarkan kesaksian beberapa orang yang dapat dipercaya,” tulis K. Flamarion dalam buku “Atmosphere”, “Saya dapat melaporkan sebuah fatamorgana yang terlihat di kota Verviers (Belgia) pada bulan Juni 1815. Suatu pagi, penduduk kota melihat tentara di langit, dan sangat jelas bahwa mereka bisa melihat pakaian artileri, meriam dengan roda patah yang akan jatuh ... Saat itu pagi hari Pertempuran Waterloo! Jarak antara Waterloo dan Verviers dalam garis lurus adalah 105 km.
Ada kasus-kasus ketika fatamorgana diamati pada jarak 800, 1000 kilometer atau lebih.
Ini kasus luar biasa lainnya. Pada malam 27 Maret 1898, di tengah Samudra Pasifik, awak kapal Bremen Matador ditakuti oleh sebuah penglihatan. Sekitar tengah malam, kru melihat sebuah kapal sekitar dua mil (3,2 km) jauhnya, yang sedang berjuang melawan badai hebat.
Ini lebih mengejutkan karena lingkungan sekitarnya tenang. Kapal melintasi jalur Matador, dan ada saat-saat ketika tampaknya tabrakan kapal tak terhindarkan ... Awak Matador melihat bagaimana, selama satu dampak kuat gelombang di kapal yang tidak dikenal, lampu padam di kabin kapten, yang terlihat sepanjang waktu di dua jendela. Setelah beberapa saat, kapal menghilang, membawa angin dan ombak bersamanya.
Masalah itu diklarifikasi kemudian. Ternyata semua ini terjadi dengan kapal lain, yang pada saat "penglihatan" berasal dari "Matador" pada jarak 1700 km.
Dengan cara apa cahaya merambat di atmosfer sehingga bayangan objek yang berbeda dipertahankan pada jarak yang begitu jauh? Belum ada jawaban pasti untuk pertanyaan ini. Ada saran tentang pembentukan lensa udara raksasa di atmosfer, penundaan fatamorgana sekunder, yaitu fatamorgana dari fatamorgana. Ada kemungkinan bahwa ionosfer* berperan di sini, tidak hanya memantulkan gelombang radio, tetapi juga gelombang cahaya.
Rupanya, fenomena yang dijelaskan memiliki asal yang sama dengan fatamorgana lain yang diamati di laut, yang disebut "Flying Dutchman" atau "Fata Morgana", ketika pelaut melihat kapal hantu yang kemudian menghilang dan menimbulkan ketakutan pada orang-orang yang percaya takhayul.
PELANGI
Pelangi - fenomena langit yang indah ini - selalu menarik perhatian manusia. Di masa lalu, ketika orang masih tahu sedikit tentang dunia di sekitar mereka, pelangi dianggap sebagai "tanda surgawi". Jadi, orang Yunani kuno mengira bahwa pelangi adalah senyum dewi Irida.
Pelangi diamati dalam arah yang berlawanan dengan Matahari, dengan latar belakang awan hujan atau hujan. Busur warna-warni biasanya terletak pada jarak 1-2 km dari pengamat, kadang-kadang dapat diamati pada jarak 2-3 m dengan latar belakang tetesan air yang dibentuk oleh air mancur atau penyemprot air.
Pusat pelangi berada pada kelanjutan garis lurus yang menghubungkan Matahari dan mata pengamat - pada garis anti-matahari. Sudut antara arah pelangi utama dan garis antisolar adalah 41-42° (Gbr. 28).
Pada saat matahari terbit, titik antisolar (titik M) berada pada garis horizon dan pelangi terlihat seperti setengah lingkaran. Saat matahari terbit, titik antisolar turun di bawah cakrawala dan ukuran pelangi berkurang. Itu hanya bagian dari lingkaran. Untuk pengamat yang tinggi, misalnya pada. pesawat, pelangi terlihat sebagai lingkaran penuh dengan bayangan pengamat di tengah.
Seringkali ada pelangi sekunder, konsentris dengan yang pertama, dengan radius sudut sekitar 52 ° dan pengaturan warna terbalik.
Pada ketinggian Matahari 41°, pelangi utama tidak lagi terlihat dan hanya sebagian dari pelangi sekunder yang muncul di atas cakrawala, dan pada ketinggian Matahari lebih dari 52°, pelangi sekunder juga tidak terlihat. Oleh karena itu, di garis lintang tengah dan khatulistiwa, fenomena alam ini tidak pernah teramati pada saat menjelang tengah hari.
Pelangi, seperti spektrumnya, memiliki tujuh warna primer yang bertransisi dengan mulus satu sama lain. Bentuk busur, kecerahan warna, lebar garis tergantung pada ukuran tetesan air dan jumlahnya. Tetesan besar menciptakan pelangi yang lebih sempit, dengan warna yang menonjol tajam, tetesan kecil menciptakan busur yang buram, pudar, dan bahkan putih. Itulah sebabnya pelangi sempit yang cerah terlihat di musim panas setelah badai petir, di mana tetesan besar jatuh.
Untuk pertama kalinya teori pelangi diberikan pada tahun 1637 oleh R. Descartes. Ia menjelaskan pelangi sebagai fenomena yang terkait dengan pemantulan dan pembiasan cahaya pada tetesan air hujan.
Pembentukan warna dan urutannya dijelaskan kemudian, setelah mengungkap sifat kompleks cahaya putih dan dispersinya dalam medium. Teori difraksi pelangi dikembangkan oleh Airy dan Pertner.
Pertimbangkan kasus paling sederhana: biarkan seberkas sinar matahari paralel jatuh pada setetes yang berbentuk bola (Gbr. 29). Sinar datang pada permukaan setetes di titik A dibiaskan di dalamnya sesuai dengan hukum pembiasan: n 1 sin a \u003d n 2 sin , di mana n 1 \u003d 1, n 2 1,33 - indeks bias udara dan air, masing-masing, a - sudut datang, adalah sudut bias cahaya.
Di dalam drop, balok bergerak dalam garis lurus AB. Di titik B, sinar dibiaskan sebagian dan dipantulkan sebagian. Perhatikan bahwa semakin kecil sudut datang di titik B, dan karenanya di titik A, semakin rendah intensitas sinar pantul dan semakin besar intensitas sinar bias.
Berkas AB setelah dipantulkan di titik B melintas dengan sudut 1 "= 1 mengenai titik C, di mana juga terjadi pemantulan parsial dan pembiasan parsial. Sinar bias meninggalkan jatuh pada sudut y2, dan sinar pantul dapat pergi selanjutnya ke titik D dan seterusnya. Dengan demikian, seberkas cahaya dalam setetes mengalami pemantulan dan pembiasan ganda. Dengan setiap pemantulan, bagian tertentu dari sinar cahaya padam dan intensitasnya di dalam tetesan berkurang. Sinar yang paling intens yang muncul ke udara adalah sinar yang muncul dari titik B. Namun, sulit untuk mengamatinya, karena hilang dengan latar belakang sinar matahari langsung yang terang... Sinar-sinar yang dibiaskan di titik C, bersama-sama, menciptakan pelangi primer dengan latar belakang awan gelap, dan sinar dibiaskan di titik D
memberikan pelangi sekunder, yang, sebagai berikut dari apa yang telah dikatakan, kurang intens dari primer.
Untuk kasus K=1 kita mendapatkan = 2 (59°37" - 40°26") + 1 = 137° 30".
Oleh karena itu, sudut pandang pelangi orde pertama adalah:
1 \u003d 180 ° - 137 ° 30 "= 42 ° 30"
Untuk sinar DE" memberikan pelangi orde kedua, yaitu dalam kasus K = 2, kita memiliki:
= 2 (59°37" - 40°26") + 2 = 236°38".
Sudut pandang pelangi orde kedua 2 = 180° - 234°38" = - 56°38".
Dari sini dapat disimpulkan (ini juga dapat dilihat dari gambar) bahwa dalam kasus yang dipertimbangkan, pelangi orde kedua tidak terlihat dari tanah. Agar terlihat, cahaya harus masuk ke drop dari bawah (Gbr. 30, b).
Ketika mempertimbangkan pembentukan pelangi, satu fenomena lagi harus diperhitungkan - pembiasan gelombang cahaya yang tidak sama dengan panjang yang berbeda, yaitu sinar cahaya dengan warna berbeda. Fenomena ini disebut dispersi. Karena dispersi, sudut bias dan sudut pembelokan sinar dalam setetes berbeda untuk sinar warna yang berbeda. Lintasan tiga sinar - merah, hijau dan ungu - secara skematis ditunjukkan pada Gambar 30, a untuk busur orde pertama dan pada Gambar 30, b untuk busur orde kedua.
Terlihat dari gambar bahwa urutan warna pada busur ini berlawanan.
Paling sering kita melihat satu pelangi. Tidak jarang kasus ketika dua garis warna-warni muncul secara bersamaan di langit, terletak satu di atas yang lain; mereka mengamati, bagaimanapun, sangat jarang, dan bahkan lebih banyak lagi busur langit berwarna-warni - tiga, empat dan bahkan lima pada saat yang sama. Fenomena menarik ini diamati oleh Leningraders pada 24 September 1948, ketika empat pelangi muncul di antara awan di atas Neva pada sore hari. Ternyata pelangi bisa terjadi tidak hanya dari sinar matahari langsung; sering muncul dalam sinar yang dipantulkan matahari. Ini bisa dilihat di pantai teluk laut, sungai besar dan danau. Tiga atau empat pelangi seperti itu - biasa dan terpantul - terkadang membuat gambar yang indah. Karena sinar Matahari yang dipantulkan dari permukaan air bergerak dari bawah ke atas, pelangi yang terbentuk di sinar ini terkadang terlihat sangat tidak biasa.
Anda tidak boleh berpikir bahwa pelangi hanya dapat diamati pada siang hari. Itu terjadi pada malam hari, bagaimanapun, selalu lemah. Anda dapat melihat pelangi seperti itu setelah hujan malam, ketika bulan terlihat dari balik awan.
Beberapa kemiripan pelangi dapat diperoleh dalam percobaan berikut. Ambil sebotol air, siram dengan sinar matahari atau lampu melalui lubang di papan tulis. Kemudian pelangi akan terlihat jelas di papan (Gbr. 31, a), dan sudut divergensi sinar dibandingkan dengan arah awal akan menjadi sekitar 41-42 ° (Gbr. 31.6). Dalam kondisi alami, tidak ada layar, gambar muncul di retina mata, dan mata memproyeksikan gambar ini ke awan.
Jika pelangi muncul di malam hari sebelum matahari terbenam, maka pelangi merah diamati. Dalam lima atau sepuluh menit terakhir sebelum matahari terbenam, semua warna pelangi, kecuali merah, menghilang, menjadi sangat cerah dan terlihat bahkan sepuluh menit setelah matahari terbenam.
Pemandangan yang indah adalah pelangi di atas embun.
Hal ini dapat diamati saat matahari terbit di rerumputan yang diselimuti embun. Pelangi ini berbentuk seperti hiperbola.
lingkaran cahaya
Saat melihat pelangi di padang rumput, tanpa sadar Anda akan melihat lingkaran cahaya tak berwarna yang menakjubkan - lingkaran cahaya yang mengelilingi bayangan kepala Anda. Ini bukan ilusi optik atau fenomena kontras. Ketika bayangan jatuh di jalan, halo menghilang. Apa penjelasan dari fenomena menarik ini? Tetesan embun tentu berperan penting di sini, karena ketika embun menghilang, fenomena itu pun menghilang.
Untuk mengetahui penyebab fenomena tersebut, lakukan percobaan berikut. Ambil labu bulat berisi air dan jemur di bawah sinar matahari. Biarkan dia mewakili setetes. Tempatkan selembar kertas di belakang labu di dekatnya, yang akan bertindak sebagai rumput. Lihatlah labu pada sudut kecil sehubungan dengan arah sinar datang. Anda akan melihatnya terang benderang oleh sinar yang dipantulkan dari kertas. Sinar ini hampir tepat menuju sinar Matahari yang jatuh pada labu. Arahkan mata Anda sedikit ke samping, dan iluminasi terang labu tidak lagi terlihat.
Di sini kita tidak berurusan dengan hamburan, tetapi dengan berkas cahaya terarah yang memancar dari titik terang di atas kertas. Bola lampu bertindak seperti lensa yang mengarahkan cahaya ke arah kita.
Seberkas sinar matahari paralel, setelah pembiasan dalam bola lampu, memberikan di atas kertas gambar Matahari yang kurang lebih terfokus dalam bentuk titik terang. Pada gilirannya, cukup banyak cahaya yang dipancarkan oleh titik ditangkap oleh bola lampu dan, setelah pembiasan di dalamnya, diarahkan kembali ke Matahari, termasuk mata kita, karena kita berdiri dengan punggung menghadap Matahari. Kekurangan optik lensa kami - termos memberikan beberapa fluks cahaya yang tersebar, tetapi aliran utama cahaya yang berasal dari titik terang di atas kertas tetap diarahkan ke Matahari. Tapi mengapa cahaya yang dipantulkan dari bilah rumput tidak berwarna hijau?
Ini sebenarnya memiliki sedikit warna kehijauan, tetapi sebagian besar berwarna putih, seperti cahaya yang dipantulkan secara terarah dari permukaan yang dicat halus, seperti pantulan dari papan tulis hijau atau kuning, atau kaca patri.
Tapi tetesan embun tidak selalu berbentuk bulat. Mereka mungkin terdistorsi. Kemudian beberapa dari mereka mengarahkan cahaya ke samping, tetapi melewati mata. Tetesan lain, seperti, misalnya, ditunjukkan pada Gambar 33, memiliki bentuk sedemikian rupa sehingga cahaya yang jatuh padanya, setelah satu atau dua pemantulan, diarahkan kembali ke Matahari dan memasuki mata pengamat yang berdiri membelakanginya.
Akhirnya, satu lagi penjelasan cerdas tentang fenomena ini harus diperhatikan: hanya daun-daun rumput yang memantulkan cahaya secara terarah, di mana cahaya matahari langsung jatuh, yaitu daun-daun yang tidak terhalang oleh daun-daun lain dari sisi Matahari. Jika kita memperhitungkan bahwa daun sebagian besar tumbuhan selalu membelokkan bidangnya ke arah Matahari, maka jelas akan ada cukup banyak daun reflektif seperti itu (Gbr. 33, e). Oleh karena itu, lingkaran cahaya juga dapat diamati tanpa adanya embun, di permukaan padang rumput yang dipangkas dengan halus atau bidang yang dipadatkan.
