O objetivo da lição
Familiarizar os alunos com as leis de propagação da luz na interface entre dois meios, explicar este fenómeno do ponto de vista da teoria ondulatória da luz.
|
Dever de casa: § 61, tarefa nº 1035, 1036.
Verificação de conhecimento
Teste. reflexo da luz
novo material
Observação da refração da luz.
Na fronteira de dois meios, a luz muda a direção de sua propagação. Parte da energia luminosa retorna ao primeiro meio, ou seja, a luz é refletida. Se o segundo meio for transparente, a luz pode passar parcialmente pela fronteira do meio, alterando também, como regra, a direção de propagação. Esse fenômeno é chamado refração da luz.
Devido à refração, observa-se uma aparente mudança na forma dos objetos, sua localização e tamanho. Podemos ser convencidos disso por simples observações. Vamos colocar uma moeda ou outro objeto pequeno no fundo de um copo opaco vazio. Vamos mover o copo de modo que o centro da moeda, a borda do copo e o olho fiquem na mesma linha reta. Sem alterar a posição da cabeça, despejaremos água no copo. À medida que o nível da água sobe, o fundo do copo com a moeda sobe, por assim dizer. A moeda, que antes era apenas parcialmente visível, agora estará totalmente visível. Coloque o lápis obliquamente em um recipiente com água. Se você olhar o vaso de lado, verá que a parte do lápis que está na água parece estar deslocada para o lado.
Esses fenômenos são explicados por uma mudança na direção dos raios no limite de dois meios - a refração da luz.
A lei de refração da luz determina a posição relativa do feixe incidente AB (ver figura), refratado por DB e a perpendicular CE à interface do meio, restaurada no ponto de incidência. O ângulo α é chamado de ângulo de incidência e o ângulo β é ângulo de refração.
Raios incidentes, refletidos e refratados são fáceis de observar, tornando visível um estreito feixe de luz. O curso de tal feixe no ar pode ser traçado soprando um pouco de fumaça no ar ou colocando uma tela em um pequeno ângulo em relação ao feixe. O feixe refratado também é visível na água do aquário corada com fluoresceína.
Deixe uma onda de luz plana cair em uma interface plana entre dois meios (por exemplo, do ar para a água) (veja a Fig.). A superfície da onda AC é perpendicular aos raios A 1 A e B 1 B . A superfície MN atingirá primeiro o raio A 1 A . O feixe B 1 B atingirá a superfície após um tempo Δt . Portanto, no momento em que a onda secundária no ponto B só começa a ser excitada, a onda do ponto A já tem a forma de um hemisfério com raio
A superfície da onda de uma onda refratada pode ser obtida desenhando uma superfície tangente a todas as ondas secundárias no segundo meio, cujos centros estão na interface entre os meios. Neste caso, este é o plano BD. É o envelope das ondas secundárias. O ângulo de incidência α da viga é igual a CAB no triângulo ABC (os lados de um desses ângulos são perpendiculares aos lados do outro). Conseqüentemente,
O ângulo de refração β é igual ao ângulo ABD do triângulo ABD. então
Dividindo as equações resultantes termo a termo, obtemos:
|
|
onde n é um valor constante independente do ângulo de incidência.
A partir da construção (ver Fig.) fica claro que o raio incidente, o raio refratado e a perpendicular erigida no ponto de incidência estão no mesmo plano. Esta afirmação, juntamente com a equação segundo a qual a razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é um valor constante para dois meios, representa lei da refração da luz.
Você pode verificar a validade da lei da refração experimentalmente medindo os ângulos de incidência e refração e calculando a razão de seus senos em diferentes ângulos de incidência. Essa relação permanece inalterada.
índice de refração.
A constante incluída na lei de refração da luz é chamada índice de refração relativo ou índice de refração do segundo meio em relação ao primeiro.
O princípio de Huygens não implica apenas a lei da refração. Com a ajuda deste princípio, o significado físico do índice de refração é revelado. É igual à razão das velocidades da luz na mídia, no limite entre o qual ocorre a refração:
|
|
Se o ângulo de refração β for menor que o ângulo de incidência α , então, de acordo com (*), a velocidade da luz no segundo meio é menor que no primeiro.
O índice de refração de um meio em relação ao vácuo é chamado o índice de refração absoluto deste meio. É igual à razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração durante a transição de um feixe de luz do vácuo para um determinado meio.
Usando a fórmula (**), pode-se expressar o índice de refração relativo em termos dos índices de refração absolutos n 1 e n 2 do primeiro e segundo meios.
Com efeito, desde
| e |
onde c é a velocidade da luz no vácuo, então
Um meio com um índice de refração absoluto mais baixo é chamado meio opticamente menos denso.
O índice de refração absoluto é determinado pela velocidade de propagação da luz em um determinado meio, que depende do estado físico do meio, ou seja, da temperatura da substância, sua densidade e a presença de tensões elásticas nela. O índice de refração também depende das características da própria luz. Como regra, para a luz vermelha é menor do que para o verde, e para o verde é menor do que para o violeta.
Portanto, em tabelas de índices de refração para diferentes substâncias, geralmente é indicado para qual luz um determinado valor de n é dado e em que estado o meio está. Se não houver tais indicações, isso significa que a dependência desses fatores pode ser negligenciada.
Na maioria dos casos, é necessário considerar a transição da luz através da interface ar-sólido ou ar-líquido, e não através da interface vácuo-meio. No entanto, o índice de refração absoluto n 2 de uma substância sólida ou líquida difere ligeiramente do índice de refração da mesma substância em relação ao ar. Assim, o índice de refração absoluto do ar em condições normais para luz amarela é de aproximadamente 1,000292. Conseqüentemente,
Planilha para a lição
Respostas de amostra
"Refracção da luz"
Na interface entre dois meios transparentes, juntamente com a reflexão da luz, observa-se sua refração, passando para outro meio, alterando a direção de sua propagação.
A refração de um feixe de luz ocorre quando ele cai obliquamente na interface (embora nem sempre leia mais sobre reflexão interna total). Se o feixe cair perpendicularmente à superfície, não haverá refração no segundo meio, o feixe manterá sua direção e também será perpendicular à superfície.
4.3.1 Lei da refração (caso especial)
Começaremos com o caso particular em que um dos meios é o ar. Essa situação está presente na grande maioria das tarefas. Discutiremos o caso particular correspondente da lei da refração e, em seguida, daremos sua formulação mais geral.
Suponha que um raio de luz viajando através do ar cai obliquamente na superfície de vidro, água ou algum outro meio transparente. Ao passar para o meio, o feixe é refratado, e seu curso posterior é mostrado na Fig. 4.11.
Quarta-feira O
Arroz. 4.11. Refração de um feixe na fronteira ¾ar-meio¿
No ponto de incidência O, desenha-se um CD perpendicular (ou, como dizem, normal) à superfície do meio. O raio AO, como antes, é chamado de raio incidente, e o ângulo entre o raio incidente e a normal é o ângulo de incidência. O feixe OB é um feixe refratado; o ângulo entre o raio refratado e a normal à superfície é chamado de ângulo de refração.
Qualquer meio transparente é caracterizado pelo valor n, que é chamado de índice de refração desse meio. Os índices de refração de vários meios podem ser encontrados nas tabelas. Por exemplo, para vidro n = 1;6 e para água n = 1;33. Em geral, qualquer ambiente possui n > 1; o índice de refração é igual à unidade apenas no vácuo. O ar tem n = 1; 0003, então para o ar pode ser assumido com precisão suficiente nos problemas n = 1 (em óptica, o ar não difere muito do vácuo).
Lei da refração (transição ¾ar-meio¿).
1) O raio incidente, o raio refratado e a normal à superfície desenhada no ponto de incidência estão no mesmo plano.
2) A razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é igual ao índice de refração
meio Ambiente:
Como n > 1, segue da relação (4.1) que sen > sen, ou seja, > o ângulo de refração é menor que o ângulo de incidência. Lembre-se: passando do ar para o meio, o feixe após a refração se aproxima da normal.
O índice de refração está diretamente relacionado à velocidade v de propagação da luz em um determinado meio. Essa velocidade é sempre menor que a velocidade da luz no vácuo: v< c. И вот оказывается,
Por que isso acontece, entenderemos ao estudar a óptica ondulatória. Enquanto isso, combina
Vamos resolver as fórmulas (4.1 ) e (4.2 ): | |||||
Como o índice de refração do ar é muito próximo da unidade, podemos supor que a velocidade da luz no ar é aproximadamente igual à velocidade da luz no vácuo c. Levando isso em consideração e olhando para a fórmula (4.3), concluímos: a razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é igual à razão entre a velocidade da luz no ar e a velocidade da luz em um meio.
4.3.2 Reversibilidade dos raios de luz
Agora considere o curso inverso do feixe: sua refração durante a transição do meio para o ar. O seguinte princípio útil nos ajudará aqui.
O princípio da reversibilidade dos raios de luz. A trajetória do feixe não depende se o feixe se propaga na direção para frente ou para trás. Movendo-se na direção oposta, o feixe seguirá exatamente o mesmo caminho que na direção para frente.
De acordo com o princípio da reversibilidade, ao passar do meio para o ar, o feixe seguirá a mesma trajetória que durante a transição correspondente do ar para o meio (Fig. 4.12). A única diferença entre a Fig. 4.12 e a Fig. 4.11 é que a direção do feixe mudou para oposta.
Quarta-feira O
Arroz. 4.12. Refracção do raio na fronteira ¾meio-ar¿
Como a imagem geométrica não mudou, a fórmula (4.1) permanecerá a mesma: a razão entre o seno do ângulo e o seno do ângulo ainda é igual ao índice de refração do meio. É verdade que agora os ângulos mudaram de função: o ângulo tornou-se o ângulo de incidência e o ângulo tornou-se o ângulo de refração.
De qualquer forma, não importa como o feixe vá do ar para o meio ou do meio para o ar, a seguinte regra simples funciona. Tomamos dois ângulos, o ângulo de incidência e o ângulo de refração; a razão entre o seno do ângulo maior e o seno do ângulo menor é igual ao índice de refração do meio.
Estamos agora totalmente preparados para discutir a lei da refração no próprio caso Geral.
4.3.3 Lei da refração (caso geral)
Deixe a luz passar do meio 1 com índice de refração n1 para o meio 2 com índice de refração n2. Diz-se que um meio com índice de refração mais alto é opticamente mais denso; consequentemente, um meio com um índice de refração mais baixo é considerado opticamente menos denso.
Passando de um meio opticamente menos denso para um opticamente mais denso, o feixe de luz após a refração aproxima-se da normal (Fig. 4.13). Neste caso, o ângulo de incidência é maior que o ângulo de refração: > .
Arroz. 4.13. n1< n2 ) >
Ao contrário, passando de um meio opticamente mais denso para um opticamente menos denso, o feixe desvia-se ainda mais da normal (Fig. 4.14). Aqui o ângulo de incidência é menor que o ângulo de refração:
Arroz. 4.14. n1 > n2)<
Acontece que ambos os casos são cobertos por uma fórmula pela lei geral da refração, que é válida para quaisquer dois meios transparentes.
A lei da refração.
1) Raio incidente, raio refratado e normal à interface de mídia, desenhado
dentro ponto de incidência estão no mesmo plano.
2) A razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é igual à razão entre o índice de refração do segundo meio e o índice de refração do primeiro meio:
É fácil ver que a lei de refração formulada anteriormente para a transição ¾ar-meio¿ é um caso especial desta lei. De fato, assumindo na fórmula (4.4) n1 = 1 e n2 = n, chegamos à fórmula (4.1).
Lembre-se agora de que o índice de refração é a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz em um determinado meio: n1 = c=v1, n2 = c=v2. Substituindo isso em (4.4), temos:
A fórmula (4.5) generaliza naturalmente a fórmula (4.3). A razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é igual à razão entre a velocidade da luz no primeiro meio e a velocidade da luz no segundo meio.
4.3.4 Reflexão interna total
Quando os raios de luz passam de um meio opticamente mais denso para um opticamente menos denso, observa-se um fenômeno interessante - reflexão interna total. Vamos ver o que é.
Vamos supor com certeza que a luz vai da água para o ar. Suponhamos que exista uma fonte pontual de luz S na profundidade do reservatório, emitindo raios em todas as direções. Veremos alguns desses raios (Fig. 4.15).
S B 1
Arroz. 4.15. Reflexão interna total
O feixe SO1 cai na superfície da água no menor ângulo. Este feixe é parcialmente refratado (feixe O1A1) e parcialmente refletido de volta para a água (feixe O1B1). Assim, parte da energia do feixe incidente é transferida para o feixe refratado e o restante da energia é transferida para o feixe refletido.
O ângulo de incidência do feixe de SO2 é maior. Este feixe também é dividido em dois feixes refratados e refletidos. Mas a energia do feixe original é distribuída entre eles de maneira diferente: o feixe refratado O2 A2 será mais escuro que o feixe O1 A1 (ou seja, receberá uma parcela menor de energia), e o feixe refletido O2 B2 será ser correspondentemente mais brilhante que o feixe O1 B1 (receberá uma parcela maior de energia).
À medida que o ângulo de incidência aumenta, a mesma regularidade pode ser traçada: uma parcela crescente da energia do feixe incidente vai para o feixe refletido e uma parcela cada vez menor para o feixe refratado. O feixe refratado torna-se cada vez mais escuro e, em algum momento, desaparece completamente!
Esse desaparecimento ocorre quando o ângulo de incidência atinge 0 , o que corresponde a um ângulo de refração de 90 . Nesta situação, o raio refratado OA teria que ir paralelo à superfície da água, mas não há mais nada para ir.Toda a energia do raio incidente SO foi inteiramente para o raio refletido OB.
Com um aumento adicional no ângulo de incidência, o feixe refratado estará mesmo ausente.
O fenômeno descrito é a reflexão interna total. A água não emite raios externos com ângulos de incidência iguais ou superiores a algum valor de 0, todos esses raios são inteiramente refletidos de volta para a água. O ângulo 0 é chamado de ângulo limite da reflexão total.
O valor 0 é fácil de encontrar a partir da lei da refração. Nós temos:
pecado 0 | ||||||||||
Mas sen 90 = 1, então | ||||||||||
pecado 0 | ||||||||||
0 = arco seno | ||||||||||
Assim, para a água, o ângulo limite de reflexão total é igual a:
0 = arcsin1; 1 33 48;8:
Você pode observar facilmente o fenômeno da reflexão interna total em casa. Despeje a água em um copo, levante-o e olhe para a superfície da água ligeiramente de baixo através da parede do copo. Você verá um brilho prateado na superfície devido à reflexão interna total, ele se comporta como um espelho.
A aplicação técnica mais importante da reflexão interna total é a fibra ótica. Os raios de luz lançados no cabo de fibra óptica (fibra óptica) quase paralelos ao seu eixo, caem na superfície em grandes ângulos e são completamente refletidos de volta ao cabo sem perda de energia. Refletidos repetidamente, os raios vão cada vez mais longe, transferindo energia por uma distância considerável. A comunicação por fibra óptica é usada, por exemplo, em redes de televisão a cabo e acesso à Internet de alta velocidade.
Sem dúvida, você sabe como os heróis do romance "A Ilha Misteriosa", de Júlio Verne, abandonados em terras desabitadas, pegaram fogo sem fósforos e pederneira. Relâmpagos vieram em auxílio de Robinson, acendendo uma árvore, mas os novos Robinsons de Júlio Verne foram ajudados não por acaso, mas pela desenvoltura de um engenheiro experiente e seu sólido conhecimento das leis da física. Lembre-se de como ficou surpreso o ingênuo marinheiro Pencroft quando, voltando de uma caçada, encontrou um engenheiro e um jornalista diante de um Labareda.
“Mas quem acendeu o fogo?” perguntou o marinheiro.
“O sol”, respondeu Spilett.
O jornalista não estava brincando. De fato, o Sol entregou o fogo que o marinheiro tanto admirava. Ele não podia acreditar em seus olhos e ficou tão surpreso que não conseguiu nem questionar o engenheiro.
"Então você tinha um copo em chamas?" Herbert perguntou ao engenheiro.
Não, mas eu consegui.
E ele mostrou isso. Eram apenas dois copos tirados pelo engenheiro de seu relógio e do de Spilett. Ele conectou suas bordas com argila, tendo previamente enchido com água, e assim foi obtida uma verdadeira lentilha incendiária, com a qual, concentrando os raios do sol no musgo seco, o engenheiro fez fogo.
O leitor desejará, creio eu, saber por que é necessário preencher com água o espaço entre os vidros do relógio: uma lentilha biconvexa cheia de ar não concentra os raios?
Exatamente não. O vidro de relógio é limitado por duas superfícies paralelas (concêntricas) - externa e interna; e sabe-se da física que, passando por um meio limitado por tais superfícies, os raios quase não mudam de direção. Passando então por um segundo copo do mesmo tipo, eles também não se desviam aqui e, portanto, não se concentram. Para concentrar os raios em um ponto, é necessário preencher o espaço entre os vidros com alguma substância transparente que refrataria os raios mais fortemente que o ar. O mesmo fez o engenheiro do romance de Júlio Verne.
Uma jarra comum de água, se esférica, também pode servir como lentilhas incendiárias. Isso já era conhecido pelos antigos, que também notaram que a própria água permanece fria. Aconteceu até que um decantador de água sobre uma janela aberta acendeu as cortinas, a toalha da mesa e carbonizou a mesa. Aquelas enormes garrafas esféricas com água colorida, que, segundo o costume antigo, costumavam decorar as vitrines das farmácias, às vezes podiam causar verdadeiros desastres, provocando a ignição de substâncias inflamáveis localizadas nas proximidades.
Com um pequeno frasco redondo cheio de água, mesmo que o frasco seja pequeno, é possível ferver a água despejada em um vidro de relógio: um frasco de 12 centímetros de diâmetro é suficiente para isso. A 15 cm do foco [o foco é colocado muito próximo do bulbo] obtém-se uma temperatura de 120°. É tão fácil acender um cigarro com uma garrafa de água quanto com lentilhas de vidro, sobre as quais Lomonosov escreveu em seu poema “Sobre os benefícios do vidro”:
Temos uma chama de vidro ensolarado aqui
E nós emulamos o Prometheus confortavelmente.
Amaldiçoando a maldade dessas mentiras desajeitadas,
Nós fumamos tabaco com fogo celestial sem pecado.
Deve-se notar, no entanto, que o efeito incendiário das lentes de água é muito mais fraco que o das lentes de vidro. Isso se deve, em primeiro lugar, ao fato de que a refração da luz na água é muito menor do que no vidro e, em segundo lugar, a água absorve fortemente os raios infravermelhos, que desempenham um papel importante no aquecimento dos corpos.
É curioso que o efeito incendiário das lentilhas de vidro fosse conhecido pelos antigos gregos, mais de um milênio antes da invenção dos óculos e lunetas. Aristófanes o menciona na famosa comédia "Nuvens". Sócrates oferece a Streptias uma tarefa:
“Se alguém escrevesse uma obrigação sobre você em cinco talentos, como você a destruiria?
Streptiad. Descobri como destruir uma obrigação, e de tal maneira que você mesmo a reconheça como astúcia! Você já viu, é claro, nas farmácias uma pedra linda e transparente que está acesa?
Sócrates. Vidro de fogo?
Streptiad. Exatamente.
Sócrates. Qual é o próximo?
Streptiad. Enquanto o notário escreve, eu, atrás dele, direciono os raios do Sol para a obrigação, e as palavras derreterão tudo ... ”
Deixe-me lembrá-lo para esclarecer que os gregos da época de Aristófanes escreviam em tábuas de cera, que derretem facilmente com o calor.
Como fazer fogo com gelo?
O gelo também pode servir de material para uma lente biconvexa e, portanto, para fazer fogo, se for suficientemente transparente. Ao mesmo tempo, o gelo, refratando os raios, não aquece e não derrete. O índice de refração do gelo é apenas um pouco menor que o da água, e se, como vimos, é possível fazer fogo com uma bola de água, é possível fazê-lo com lentilhas de gelo.
As lentilhas de gelo fizeram um bom trabalho na Viagem do Capitão Hatteras, de Júlio Verne. O Dr. Clouboni acendeu o fogo dessa maneira quando os viajantes perderam a pederneira e se viram sem fogo, sob uma terrível geada de 48 graus.
"É um desastre", disse Hatteras ao médico.
"Sim", ele respondeu.
“Não temos nem uma luneta com a qual pudéssemos pegar lentilhas e fazer fogo.
“Eu sei”, respondeu o médico, “e é uma pena que eu não saiba: os raios do sol são fortes o suficiente para acender a mecha”.
- O que fazer, você tem que satisfazer sua fome com carne de urso crua - disse Hatteras.
“Sim”, disse o médico pensativo, “pelo menos. Mas por que não...
- O que você acha? perguntou Hatteras.
“Eu tive uma ideia…
- Pensamento? exclamou o contramestre. - Se você tem um pensamento, então estamos salvos!
“Não sei como será possível”, o médico hesitou.
– O que você inventou? Hatteras perguntou.
Não temos lentilhas, mas vamos fazê-las.
- Quão? perguntou o contramestre.
- Nós moemos de um pedaço de gelo.
- Você acha que...
- Por que não? Afinal, é necessário apenas que os raios do Sol sejam levados a um ponto, e para isso o gelo pode substituir o melhor cristal para nós. Só que eu preferiria um pedaço de gelo de água doce: é mais forte e mais transparente.
“Aqui, se não me engano, este bloco de gelo”, apontou o contramestre para um bloco de gelo a cerca de cem passos dos viajantes, “a julgar pela cor, há exatamente o que você precisa.”
- Você tem razão. Pegue seu machado. Vamos meus amigos.
Todos os três foram para o bloco de gelo indicado. Na verdade, o gelo acabou sendo de água doce.
O médico ordenou que se cortasse um pedaço de gelo, de trinta centímetros de diâmetro, e começou a cortá-lo com um machado. Então ele a aparou com uma faca e, finalmente, gradualmente a poliu com a mão. Acabou lentilhas transparentes, como se fossem do melhor cristal. O sol estava bem claro. O médico expôs as lentilhas às suas vigas e focou-as na mecha. Alguns segundos depois, a mecha pegou fogo.”
Figura 113. "O médico concentrou os raios do Sol na mecha."
A história de Júlio Verne não é inteiramente fantástica: experimentos de iluminação de uma árvore com lentilhas geladas, realizados com sucesso pela primeira vez na Inglaterra com lentilhas muito grandes já em 1763, foram repetidamente realizados com sucesso completo. Claro que é difícil de fazertransparentelentilhas de gelo usando ferramentas como um machado, uma faca e “apenas uma mão” (em 48 graus de geada!), mas você pode facilitar as lentilhas de gelo: despeje água em uma xícara de forma adequada e congele, e depois, depois aquecendo levemente o copo, retire-o de suas lentilhas cozidas.
Arroz. 114. Copo para fazer lentilhas geladas.
Ao fazer tal experiência, não esqueça que é possível apenas em um dia claro e gelado e ao ar livre, mas não em uma sala atrás de um vidro de janela: o vidro absorve uma parte significativa da energia dos raios do sol e não suficiente para causar um aquecimento significativo.
Com a ajuda dos raios do sol
Faça outro experimento, também fácil de fazer no inverno. Deite na neve, inundada de sol, dois pedaços de pano do mesmo tamanho, claro e preto. Depois de uma ou duas horas, você verá que a mancha preta afundou na neve, enquanto a leve permaneceu no mesmo nível. Não é difícil encontrar as razões para tal diferença: sob uma mancha preta, a neve derrete mais fortemente, pois o tecido escuro absorve a maior parte dos raios do sol que incidem sobre ele; a luz, ao contrário, espalha a maioria deles e, portanto, aquece menos que o preto.
Esta experiência instrutiva foi realizada pela primeira vez pelo famoso lutador pela independência dos Estados Unidos, Benjamin Franklin, que se imortalizou, como físico, inventando um pára-raios. “Peguei do alfaiate vários pedaços quadrados de pano de várias cores”, escreveu ele. “Entre eles estavam: preto, azul escuro, azul claro, verde, roxo, vermelho, branco e várias outras cores e tons. de manhã, coloquei todos esses pedaços na neve. Depois de algumas horas, o pedaço preto, que havia aquecido mais do que os outros, afundou tanto que os raios do sol não podiam mais alcançá-lo; o azul escuro afundou quase tanto como o preto; o azul claro muito menos; as outras cores afundaram menos, quanto mais claras ficaram, enquanto o branco permaneceu na superfície, ou seja, não afundou nada”.
“De que adiantaria uma teoria se não pudesse ser aproveitada?”, exclama nesta ocasião e continua: “Não podemos deduzir desta experiência que um vestido preto em um clima quente e ensolarado é menos adequado do que o branco porque em o sol aquece mais nosso corpo, e se ainda fazemos movimentos que nos aquecem em si mesmos, forma-se calor excessivo - o que causa insolação em alguns?... Além disso, as paredes enegrecidas não podem absorver tanto calor solar durante o dia como se manter aquecido à noite e proteger a fruta da geada?
O que essas conclusões e aplicações úteis podem ser é mostrado pelo exemplo da expedição polar sul alemã de 1903 no navio Gauss. O navio estava congelado no gelo e todos os métodos usuais de liberação não levaram a nenhum resultado. , removido apenas algumas centenas de metros cúbicos de gelo e não libertaram o navio. Então eles se voltaram para a ajuda dos raios do sol: eles fizeram uma faixa de cinzas escuras e carvão no gelo de 2 km de comprimento e dez metros de largura; levava do navio os dias claros e longos do verão polar e os raios do sol fizeram o que a dinamite e a serra não podiam fazer: o gelo derreteu e quebrou ao longo da faixa empilhada, e o navio ficou livre do gelo.
Velho e novo sobre miragens
Provavelmente todos sabem qual é a causa física de uma miragem comum. A areia quente do deserto adquire propriedades espelhadas porque a camada de ar aquecida adjacente a ela tem uma densidade menor do que as camadas sobrejacentes. Um feixe de luz inclinado de um objeto muito distante, tendo alcançado essa camada de ar, dobra seu caminho nela de modo que em seu movimento posterior ele novamente se afasta do solo e atinge o olho do observador, como se refletido de um espelho em um ponto muito grande ângulo de incidência. E parece ao observador que uma superfície de água se estende à sua frente no deserto, refletindo objetos costeiros (Fig. 115).
Arroz. 115. Como surge uma miragem no deserto. Esse desenho, comumente reproduzido em livros didáticos, representa a trajetória do feixe de luz inclinando-se em direção ao solo de forma exageradamente íngreme.
Seria mais correto, no entanto, dizer que a camada de ar aquecida perto do solo quente reflete os raios não como um espelho, mas como uma superfície de água vista das profundezas da água. O que está acontecendo aqui não é um simples reflexo, mas o que na linguagem da física é chamado de "reflexão interna". não será ultrapassado o "ângulo limite" de incidência do feixe, e sem isso não se obtém reflexão interna.
Notamos de passagem um ponto desta teoria, que pode dar origem a um mal-entendido. A explicação acima requer tal disposição das camadas de ar, em que as camadas mais densas seriam mais altas que as menos densas. Sabemos, no entanto, que o ar denso e pesado tende a afundar e forçar a camada leve subjacente de gás para cima. Como pode haver esse arranjo de camadas de ar denso e rarefeito, necessário para o aparecimento de uma miragem?
Arroz. 116. Miragem na pista.
A resposta está no fato de que a disposição necessária das camadas de ar não é no ar parado, mas no ar em movimento. A camada de ar aquecida pelo solo não repousa sobre ela, mas é continuamente forçada para cima e é imediatamente substituída por uma nova camada de ar aquecido. A mudança contínua determina que certa camada de ar rarefeito esteja sempre contígua à areia quente, mesmo que não seja a mesma, mas isso já é indiferente ao curso dos raios.
O tipo de miragem que estamos considerando é conhecido desde a antiguidade. Na meteorologia moderna, é chamada de miragem "inferior" (em oposição à miragem "superior", gerada pela reflexão dos raios de luz por camadas de ar rarefeito na atmosfera superior). A maioria das pessoas está convencida de que essa miragem clássica só pode ser observada no ar abafado dos desertos do sul e não ocorre em latitudes mais ao norte.
Enquanto isso, a miragem inferior costuma ser observada em nossa área. Tais fenômenos são especialmente frequentes no verão em estradas asfaltadas e alcatroadas que, devido à sua cor escura, tornam-se muito quentes ao sol. A superfície fosca da estrada então parece de longe como se fosse derramada com água e reflete objetos distantes. O caminho dos raios de luz nesta miragem é mostrado na Fig. 116. Com alguma observação, tais fenômenos podem ser vistos não tão raramente quanto comumente se pensa.
Existe outro tipo de miragem - uma miragemlateral, cuja existência geralmente nem é suspeitada. Este é um reflexo de uma parede pura aquecida. Tal caso é descrito por um autor francês. Aproximando-se do forte da fortaleza, ele notou que a parede de concreto do forte de repente brilhou como um espelho, refletindo a paisagem circundante, solo, céu. Dando mais alguns passos, notou a mesma mudança na outra parede do forte. Parecia que a superfície cinzenta e irregular foi subitamente substituída por uma polida. Era um dia abafado, e as paredes deviam estar muito quentes, o que era a chave para sua especulação. Na fig. 117 mostra a localização das paredes do forte (F e F") e a localização do observador (A e A"). Acontece que uma miragem é observada sempre que a parede é aquecida o suficiente pelos raios do Sol. Até conseguimos fotografar esse fenômeno.
Na fig. 118 mostra (à esquerda) a parede F do forte, primeiro fosca e depois brilhante (à direita), como um espelho (tirado do ponto A"). A imagem da esquerda mostra concreto cinza comum, no qual, claro, as figuras de dois à direita - a mesma parede na maior parte adquiriu propriedades de espelho, e a figura mais próxima de um soldado fornece sua imagem simétrica. Claro, não é a superfície da própria parede que reflete os raios , mas apenas a camada de ar aquecido adjacente a ela.
Arroz. 117. Planta do forte onde foi observada a miragem. A parede F parecia espelhada do ponto A, parede F" - do ponto A"
Arroz. 118. Uma parede cinza irregular (esquerda) de repente se torna polida, refletiva (direita).
Nos dias quentes de verão, deve-se prestar atenção às paredes aquecidas dos grandes edifícios e procurar fenômenos de miragem. Sem dúvida, com alguma atenção, o número de casos observados de miragem deve aumentar visivelmente.
"Raio Verde"
"Você já observou o Sol se pondo abaixo do horizonte do mar? Sim, sem dúvida. Você o seguiu até o momento em que a borda superior do disco toca o horizonte e depois desaparece? Provavelmente sim. fenômeno o que acontece no momento em que a luminária luminosa lança seu último raio, se o céu está livre de nuvens e completamente transparente? de vegetação, ou na cor do mar mais transparente.
Uma nota semelhante em um jornal inglês levou a jovem heroína do romance "O raio verde", de Júlio Verne, a um estado de entusiasmo e a levou a empreender uma série de viagens com o único objetivo de ver o raio verde com seus próprios olhos. não foi capaz, como conta o romancista, de observar este belo fenômeno da natureza. Mas ele ainda existe. O raio verde não é uma lenda, embora existam muitas coisas lendárias associadas a ele. É um fenômeno que todo amante da natureza pode admirar se ele a procura com a devida paciência.
Por que o feixe verde aparece?
Você entenderá a causa do fenômeno se lembrar de que forma os objetos aparecem para nós quando os observamos através de um prisma de vidro. Faça esta experiência: segure o prisma perto do olho horizontalmente com o lado largo para baixo e olhe através dele para um pedaço de papel preso à parede. Você notará que a folha, em primeiro lugar, subiu muito mais alto do que sua posição real e, em segundo lugar, tem uma borda azul-violeta na parte superior e uma borda amarelo-vermelha na parte inferior. O aumento depende da refração da luz, bordas coloridas - emdispersãovidro, ou seja, propriedades do vidrodesigualmenterefratar raios de diferentescores.Os raios violeta e azul são refratados mais fortemente do que outros, então vemos uma borda azul-violeta no topo; os vermelhos são refratados mais fracos e, portanto, a borda inferior da nossa folha de papel tem uma borda vermelha.
Para uma melhor compreensão do que se segue, é necessário deter-nos na origem dessas bordas coloridas. O prisma decompõe a luz branca que emana do papel em todas as cores do espectro, dando muitas imagens coloridas de uma folha de papel, dispostas, parcialmente sobrepostas umas às outras, na ordem de refração. Da ação simultânea destes sobrepostos. Em cima uns dos outros de imagens coloridas, os olhos têm uma sensação de cor branca (a adição de cores espectrais), mas na parte superior e inferior há bordas de cores imiscíveis. O famoso poeta Goethe, que passou por esse experimento e não entendeu seu significado, imaginou ter exposto assim a falsidade da doutrina das cores de Newton, e então escreveu sua própria "Ciência das cores", que é quase inteiramente baseada em idéias falsas O leitor, presumivelmente, não repetirá as ilusões do grande poeta e não esperará que o prisma recolorirá todos os objetos para ele. A atmosfera da Terra é para nossos olhos como um enorme prisma de ar virado para baixo. Olhando para o Sol no horizonte, olhamos para ele através de um prisma de gás. O disco do Sol recebe na parte superior uma borda de azul e verde, na parte inferior - vermelho-amarelo. Enquanto o Sol está acima do horizonte, a luz do disco com seu brilho interrompe listras coloridas muito menos brilhantes, e não as notamos, mas nos momentos do nascer e do pôr do sol, quando quase todo o disco está escondido sob o horizonte, podemos ver a borda azul da borda superior. É de duas cores: acima é uma faixa azul, abaixo - azul, de uma mistura de feixes azuis e verdes de quem. Quando o ar perto do horizonte está completamente claro e transparente, vemos uma borda azul - o "raio azul". Mas mais frequentemente os raios azuis são espalhados pela atmosfera e apenas uma borda verde permanece: o fenômeno do "raio verde" . Finalmente, na maioria dos casos, os raios azuis e verdes também são espalhados pela atmosfera nublada - então nenhuma fronteira é notada: o Sol se põe em uma bola carmesim.
O astrônomo de Pulkovo G. A. Tikhov, que dedicou um estudo especial ao “feixe verde”, relata alguns sinais da visibilidade desse fenômeno: “Se o Sol tem uma cor vermelha ao pôr do sol e é fácil olhar para ele com um simples olho, então podemos dizer com confiança que não haverá feixe verde". A razão é clara: a cor vermelha do disco solar indica uma forte dispersão de raios azuis e verdes pela atmosfera, ou seja, toda a borda superior do disco. “Pelo contrário”, continua o astrônomo, “se o Sol pouco mudou sua cor amarelo-esbranquiçada habitual e se põe muito brilhante (isto é, se a absorção de luz pela atmosfera é pequena. –)IP), então provavelmente podemos esperar um feixe verde. Mas aqui só é importante que o horizonte seja uma linha nítida, sem irregularidades, floresta próxima, prédios, etc. Essas condições são melhor atendidas no mar; é por isso que o feixe verde é tão conhecido pelos marinheiros.”
Então, para ver o “feixe verde”, você precisa observar o Sol na hora do pôr do sol ou do nascer do sol com um céu muito claro. Nos países do sul, o céu próximo ao horizonte é mais transparente que o nosso, então o “verde feixe” fenômeno é observado com mais frequência. Mas em nosso país não é tão raro como muitos pensam, provavelmente por influência do romance de Júlio Verne. Buscas persistentes pelo “feixe verde” são recompensadas cedo ou tarde com sucesso. Aconteceu de capturar esse belo fenômeno mesmo com um telescópio. Dois astrônomos da Alsácia descrevem tal observação da seguinte forma:
"... No último minuto antes do pôr do sol, quando, portanto, uma parte perceptível dele ainda é visível, o disco, que tem uma borda ondulada, mas bem definida, é cercado por uma borda verde. definido, este aro não é visível a olho nu. Torna-se visível apenas no momento do desaparecimento completo do Sol atrás do horizonte. Se você olhar através de um telescópio com uma ampliação suficientemente forte (cerca de 100 vezes), poderá rastrear em detalhes todos os fenômenos: a borda verde torna-se perceptível o mais tardar 10 minutos antes do pôr-do-sol; limita a parte superior do disco, enquanto na parte inferior há uma borda vermelha.A largura da borda, a princípio muito pequena (apenas alguns segundos de arco), aumenta à medida que o Sol se põe; às vezes atinge até meio minuto do arco. o ponto mais alto; às vezes eles saem da borda e brilham separadamente por vários segundos, até saírem” (Fig. 119).
Arroz. 119. Observação a longo prazo do "raio verde": o observador viu o "raio verde" atrás da cordilheira por 5 minutos. Acima à direita está o "feixe verde" visto através de um telescópio.O disco do Sol tem contornos irregulares. Na posição 1, o brilho do disco solar cega o olho e impede que a borda verde seja vista a olho nu. Na posição 2, quando o disco do Sol quase desaparece, o "feixe verde" torna-se acessível a olho nu.
Geralmente o fenômeno dura um segundo ou dois. Mas em circunstâncias excepcionais, sua duração é visivelmente prolongada. Um caso foi observado quando um "feixe verde" foi observado por mais de 5 minutos! O sol estava se pondo atrás de uma montanha distante, e um observador em ritmo acelerado viu uma borda verde do disco solar, como se deslizasse ao longo da encosta da montanha (Fig. . 119).
Casos muito instrutivos de observação do "feixe verde" emnascer do solSol, quando a borda superior da luminária começa a aparecer debaixo do horizonte. Isso refuta a conjectura muitas vezes expressa de que o “raio verde” é uma ilusão de ótica à qual o olho sucumbe quando se cansa do brilho brilhante do Sol que se põe.
O sol não é o único luminar que emite um "raio verde". Aconteceu de ver esse fenômeno gerado pelo poente de Vênus [Sobre miragens e um raio verde, você pode aprender com o excelente livro de M. Minnart "Light and Color na natureza". Fizmatgiz, 1958Observação. ed.].
A refração da luz é uma mudança na direção do feixe no limite de dois meios de densidade diferente.
Explicação: um raio de luz, caindo na água, muda de direção na borda de dois meios (ou seja, na superfície da água). O feixe é literalmente refratado. Esse fenômeno é chamado de refração da luz. Isso acontece porque a água e o ar têm densidades diferentes. A água é mais densa que o ar, e a velocidade de um feixe de luz caindo em sua superfície diminui. Assim, a água é um meio opticamente mais denso.
A densidade óptica do meio é caracterizada por diferentes velocidades de propagação da luz.
ângulo de refração (ϒ) é o ângulo formado pelo feixe refratado e a perpendicular ao ponto de incidência do feixe na interface entre dois meios.
Explicação:
O feixe caiu na superfície da água em um certo ponto e foi refratado. Vamos desenhar uma perpendicular a partir deste ponto na mesma direção em que o raio refratado "esquerda" - no nosso caso, a perpendicular é direcionada para o fundo do reservatório. O ângulo formado por esta perpendicular e o feixe refratado é chamado de ângulo de refração.
Se a luz viaja de um meio opticamente menos denso para um meio opticamente mais denso, então o ângulo de refração é sempre menor que o ângulo de incidência.
Por exemplo, a luz que cai na água tem um ângulo de incidência maior que o ângulo de refração. A razão é que a água é um meio mais denso que o ar.
Para quaisquer dois meios com densidade óptica diferente, a seguinte fórmula é verdadeira:
pecado α
---
= n
pecadoϒ
Onde n é um valor constante independente do ângulo de incidência.
Explicação:
Vamos pegar três raios caindo na água.
Seus ângulos de incidência são 30°, 45° e 60°.
Os ângulos de refração desses raios serão respectivamente 23°, 33° e 42°.
Se fizermos a razão entre os ângulos de incidência e os ângulos de refração, obtemos o mesmo número:
pecado 30° pecado 45° pecado 60°
--- = --- = ---
≅ 1,3
pecado 23° pecado 33° pecado 42°
Assim, se dividirmos o ângulo de incidência do feixe na água e o ângulo de sua refração, obtemos 1,3. Esta é uma constante ( n ), que é encontrado usando a fórmula acima.
O feixe incidente, o feixe refratado e a perpendicular traçada a partir do ponto de incidência do feixe estão no mesmo plano.
REFRAÇÃO DA LUZ DURANTE A TRANSIÇÃO DA ÁGUA PARA O AR
Um bastão mergulhado na água, uma colher em um copo de chá, devido à refração da luz na superfície da água, parecem-nos refratados.
Coloque uma moeda no fundo de um recipiente opaco para que não fique visível. Agora despeje a água no recipiente. A moeda ficará visível. A explicação deste fenômeno é clara a partir do vídeo.
Olhe para o fundo da lagoa e tente estimar sua profundidade. Na maioria das vezes, não funciona direito.
Tracemos mais detalhadamente como e quanto a profundidade do reservatório nos parece ser reduzida se o olharmos de cima.
Seja H (Fig. 17) a profundidade real do reservatório, no fundo do qual se encontra um pequeno objeto, como um seixo. A luz refletida por ele diverge em todas as direções. Um certo feixe de raios cai na superfície da água no ponto O de baixo em um ângulo a 1 , é refratado na superfície e entra no olho. Pela lei da refração, podemos escrever:
mas como n 2 \u003d 1, então n 1 sin a 1 \u003d sin ϒ 1.
O raio refratado entra no olho no ponto B. Observe que não um raio entra no olho, mas um feixe de raios, cuja seção transversal é limitada pela pupila do olho.
Na Figura 17, a viga é mostrada como linhas finas. No entanto, essa viga é estreita, e podemos desprezar sua seção transversal, tomando-a pela linha AOB.
O olho projeta A para o ponto A 1, e a profundidade do reservatório nos parece igual a h.
Pode-se observar na figura que a profundidade aparente do reservatório h depende do valor verdadeiro de H e do ângulo de observação ϒ 1 .
Vamos expressar essa dependência matematicamente.
Dos triângulos AOC e A 1 OS temos:
Excluindo OS dessas equações, obtemos:
Dado que a \u003d ϒ 1 e sen ϒ 1 \u003d n 1 sen a 1 \u003d n sen a, temos:
Nesta fórmula, a dependência da profundidade aparente do reservatório h com a profundidade real H e o ângulo de observação não aparecem explicitamente. Para uma representação mais clara dessa dependência, vamos expressá-la graficamente.
No gráfico (Fig. 18), ao longo do eixo das abcissas, os valores dos ângulos de observação são plotados em graus, e ao longo do eixo das ordenadas, as profundidades aparentes correspondentes a eles h em frações da profundidade real H. O resultado curva mostra que em pequenos ângulos de visão, a profundidade aparente
é cerca de ¾ do valor real e diminui à medida que o ângulo de visão aumenta. Em um ângulo de observação a = 47°, ocorre reflexão interna total e o raio não pode escapar da água.
MIRAGES
Em um meio não homogêneo, a luz não se propaga em linha reta. Se imaginarmos um meio no qual o índice de refração muda de baixo para cima e o dividirmos mentalmente em finas camadas horizontais,
então, considerando as condições de refração da luz durante a transição de camada para camada, notamos que em tal meio o feixe de luz deve mudar gradualmente sua direção (Fig. 19, 20).
Tal curvatura do feixe de luz sofre na atmosfera, na qual, por uma razão ou outra, principalmente devido ao seu aquecimento desigual, o índice de refração do ar muda com a altura (Fig. 21).
O ar geralmente é aquecido pelo solo, que absorve a energia dos raios solares. Portanto, a temperatura do ar diminui com a altura. Sabe-se também que a densidade do ar diminui com a altura. Foi estabelecido que com o aumento da altura, o índice de refração diminui, de modo que os raios que passam pela atmosfera são dobrados, inclinando-se para a Terra (Fig. 21). Esse fenômeno é chamado de refração atmosférica normal. Devido à refração, os corpos celestes nos parecem um pouco "elevados" (acima de sua verdadeira altura) acima do horizonte.
Calcula-se que a refração atmosférica "eleva" objetos a uma altura de 30° por 1"40", a uma altura de 15° - por 3"30", a uma altura de 5° - por 9"45". Para corpos no horizonte, esse valor chega a 35". Esses números se desviam em uma direção ou outra, dependendo da pressão e temperatura da atmosfera. No entanto, por um motivo ou outro, massas de ar com temperatura superior às camadas inferiores. pode ser trazido por ventos de países quentes, por exemplo, de uma área desértica quente. Se neste momento o ar frio e denso de um anticiclone estiver nas camadas inferiores, o fenômeno de refração pode aumentar significativamente e os raios de luz vindos fora de objetos terrestres para cima em um certo ângulo em relação ao horizonte, eles podem retornar ao solo (Fig. 22).
No entanto, pode acontecer que na superfície da Terra, devido ao seu forte aquecimento, o ar aqueça tanto que o índice de refração da luz perto do solo se torne menor do que a uma certa altura acima do solo. Se ao mesmo tempo houver clima calmo, esse estado pode persistir por muito tempo. Então os raios de objetos que caem em um ângulo bastante grande em relação à superfície da Terra podem ser tão curvados que, tendo descrito um arco próximo à superfície da Terra, eles irão de baixo para cima (Fig. 23a). O caso mostrado na Figura 236 também é possível.
Os estados descritos acima na atmosfera explicam a ocorrência de fenômenos interessantes - miragens atmosféricas. Esses fenômenos são geralmente divididos em três classes. A primeira classe inclui as mais comuns e de origem simples, as chamadas miragens do lago (ou inferiores), que causam tantas esperanças e decepções entre os viajantes do deserto.
O matemático francês Gaspard Monge, que participou da campanha egípcia de 1798, descreve suas impressões sobre essa classe de miragens da seguinte forma:
“Quando a superfície da Terra é fortemente aquecida pelo Sol e está apenas começando a esfriar antes do início do crepúsculo, o terreno familiar não se estende mais ao horizonte, como durante o dia, mas passa, ao que parece, cerca de um liga em uma inundação contínua.
As aldeias mais distantes parecem ilhas em um vasto lago. Sob cada aldeia há seu reflexo virado, só que não é nítido, pequenos detalhes não são visíveis, como um reflexo na água balançado pelo vento. Se você começar a se aproximar de uma aldeia que parece estar cercada por uma enchente, a margem de água imaginária está se afastando, o galho de água que nos separava da aldeia se estreita gradualmente até desaparecer completamente, e o lago ... agora começa por trás disso aldeia, reflectindo as aldeias localizadas mais longe” (Fig. 24).
A explicação para esse fenômeno é simples. As camadas inferiores de ar, aquecidas pelo solo, não tiveram tempo de subir; seu índice de refração é menor que os superiores. Portanto, raios de luz que emanam de objetos (por exemplo, do ponto B em uma palmeira, Fig. 23a), dobrando-se no ar, entram no olho por baixo. O olho projeta um feixe para o ponto B 1 . O mesmo acontece com raios vindos de outros pontos do objeto. O objeto parece ao observador estar virado.
De onde é a água? A água é um reflexo do céu.
Para ver uma miragem, não há necessidade de ir à África. Pode ser observado em um dia quente e tranquilo de verão e sobre a superfície aquecida de uma estrada de asfalto.
Miragens da segunda classe são chamadas miragens de visão superior ou distante. O “milagre inédito” descrito por N.V. Gogol se assemelha mais a eles. Damos descrições de várias dessas miragens.
Da Côte d'Azur da França, no início da manhã clara, das águas do Mar Mediterrâneo, do horizonte, ergue-se uma cadeia escura de montanhas, na qual os habitantes reconhecem a Córsega. A distância até a Córsega é de mais de 200 km, portanto, uma linha de visão está fora de questão.
Na costa inglesa, perto de Hastings, avista-se a costa francesa. Como relata o naturalista Niedige, “perto de Reggio, na Calábria, em frente à costa siciliana e à cidade de Messina, áreas desconhecidas inteiras com rebanhos pastando, bosques de ciprestes e castelos às vezes são visíveis no ar. Depois de ficar no ar por um curto período de tempo, as miragens desaparecem.
Miragens de visão ao longe aparecem se as camadas superiores da atmosfera forem especialmente rarefeitas por algum motivo, por exemplo, quando o ar aquecido chega lá. Então os raios que emanam de objetos terrestres são mais fortemente dobrados e atingem a superfície da Terra, indo em um grande ângulo em relação ao horizonte. O olho do observador as projeta na direção em que entram.
Aparentemente, naquele um grande número de miragens de visão distante são observadas na costa do Mar Mediterrâneo, o deserto do Saara é o culpado. Massas de ar quente sobem acima dela, depois são levadas para o norte e criam condições favoráveis para a ocorrência de miragens.
Miragens superiores também são observadas em países do norte quando sopram ventos quentes do sul. As camadas superiores da atmosfera são aquecidas e as camadas inferiores são resfriadas devido à presença de grandes massas de gelo e neve derretidos.
Às vezes, são observadas imagens diretas e inversas de objetos. As Figuras 25-27 mostram precisamente tais fenômenos observados nas latitudes árticas. Aparentemente, acima da Terra, alternam-se camadas de ar mais densas e rarefeitas, dobrando os raios de luz aproximadamente como mostra a Figura 26.
Miragens da terceira classe - visão ultralonga - são difíceis de explicar. Vamos descrever alguns deles.
“Com base nos testemunhos de várias pessoas confiáveis”, escreve K. Flamarion no livro “Atmosphere”, “posso relatar uma miragem que foi vista na cidade de Verviers (Bélgica) em junho de 1815. Certa manhã, os habitantes da cidade viram um exército no céu, e era tão claro que eles podiam distinguir as roupas dos artilheiros, um canhão com uma roda quebrada que estava prestes a cair ... Era a manhã de a Batalha de Waterloo! A distancia entre Waterloo e Verviers em linha reta é 105 km.
Há casos em que as miragens foram observadas a uma distância de 800, 1000 ou mais quilômetros.
Aqui está outro caso incrível. Na noite de 27 de março de 1898, no meio do Oceano Pacífico, a tripulação do navio Bremen Matador teve uma visão assustada. Por volta da meia-noite, a tripulação avistou um navio a cerca de 3,2 km de distância, que lutava contra uma forte tempestade.
Isso foi ainda mais surpreendente porque os arredores eram calmos. O navio cruzou o curso do Matador, e houve momentos em que parecia que uma colisão de navios era inevitável... A tripulação do Matador viu como, durante um forte impacto de uma onda sobre um navio desconhecido, a luz se apagou na cabine do capitão, que era visível o tempo todo em duas janelas. Depois de um tempo, o navio desapareceu, levando consigo o vento e as ondas.
O assunto foi esclarecido posteriormente. Acontece que tudo isso aconteceu com outro navio, que no momento da "visão" era do "Matador" a uma distância de 1700 km.
De que maneiras a luz viaja na atmosfera para que imagens distintas de objetos sejam preservadas a distâncias tão grandes? Ainda não há uma resposta exata para essa pergunta. Houve sugestões sobre a formação de lentes de ar gigantes na atmosfera, o atraso de uma miragem secundária, ou seja, uma miragem de uma miragem. É possível que a ionosfera* desempenhe um papel aqui, refletindo não apenas ondas de rádio, mas também ondas de luz.
Aparentemente, os fenômenos descritos têm a mesma origem de outras miragens observadas nos mares, chamadas de “Flying Dutchman” ou “Fata Morgana”, quando os marinheiros veem navios fantasmagóricos que depois desaparecem e inspiram medo em pessoas supersticiosas.
ARCO IRIS
Arco-íris - este belo fenômeno celestial - sempre atraiu a atenção do homem. Antigamente, quando as pessoas ainda sabiam muito pouco sobre o mundo ao seu redor, o arco-íris era considerado um "sinal celestial". Assim, os antigos gregos pensavam que o arco-íris é o sorriso da deusa Irida.
O arco-íris é observado na direção oposta ao Sol, contra o fundo de nuvens de chuva ou chuva. Um arco multicolorido geralmente está localizado a uma distância de 1-2 km do observador, às vezes pode ser observado a uma distância de 2-3 m no fundo de gotas de água formadas por fontes ou pulverizadores de água.
O centro do arco-íris está na continuação da linha reta que liga o Sol e o olho do observador - na linha anti-solar. O ângulo entre a direção do arco-íris principal e a linha anti-solar é de 41-42° (Fig. 28).
Na hora do nascer do sol, o ponto anti-solar (ponto M) está na linha do horizonte e o arco-íris parece um semicírculo. À medida que o sol nasce, o ponto anti-solar cai abaixo do horizonte e o tamanho do arco-íris diminui. É apenas parte de um círculo. Para um observador que está alto, por exemplo, ligado. aeronave, o arco-íris é visto como um círculo completo com a sombra do observador no centro.
Muitas vezes há um arco-íris secundário, concêntrico com o primeiro, com um raio angular de cerca de 52 ° e o arranjo inverso das cores.
A uma altitude do Sol de 41°, o arco-íris principal deixa de ser visível e apenas uma parte do arco-íris secundário aparece acima do horizonte, e a uma altura do Sol superior a 52°, o arco-íris secundário também não é visível. Portanto, nas latitudes médias e equatoriais, esse fenômeno natural nunca é observado perto do meio-dia.
O arco-íris, como o espectro, tem sete cores primárias que transitam suavemente umas para as outras. A forma do arco, o brilho das cores, a largura das listras dependem do tamanho das gotas de água e do seu número. Gotas grandes criam um arco-íris mais estreito, com cores nitidamente proeminentes, gotas pequenas criam um arco embaçado, desbotado e até branco. É por isso que um arco-íris estreito e brilhante é visível no verão após uma tempestade, durante a qual grandes gotas caem.
Pela primeira vez a teoria do arco-íris foi dada em 1637 por R. Descartes. Ele explicou o arco-íris como um fenômeno associado à reflexão e refração da luz nas gotas de chuva.
A formação das cores e sua sequência foram explicadas posteriormente, após desvendar a natureza complexa da luz branca e sua dispersão em um meio. A teoria da difração do arco-íris foi desenvolvida por Airy e Pertner.
Considere o caso mais simples: deixe um feixe de raios solares paralelos cair sobre uma gota com a forma de uma bola (Fig. 29). Um feixe incidente na superfície de uma gota no ponto A é refratado dentro dela de acordo com a lei da refração: n 1 sin a \u003d n 2 sin β, onde n 1 \u003d 1, n 2 ≈ 1,33 - índices de refração do ar e água, respectivamente, a - ângulo de incidência, β é o ângulo de refração da luz.
Dentro da gota, o feixe percorre uma linha reta AB. No ponto B, o feixe é parcialmente refratado e parcialmente refletido. Observe que quanto menor o ângulo de incidência no ponto B e, portanto, no ponto A, menor a intensidade do feixe refletido e maior a intensidade do feixe refratado.
O feixe AB após reflexão no ponto B passa em um ângulo β 1 "= β 1 atinge o ponto C, onde também ocorre reflexão parcial e refração parcial da luz. O feixe refratado deixa a gota em um ângulo y2, e o feixe refletido pode ir além disso, para o ponto D e etc. Assim, um raio de luz em uma gota sofre múltiplas reflexões e refrações. A cada reflexão, uma certa parte dos raios de luz se apaga e sua intensidade dentro da gota diminui. O mais intenso dos raios emergindo no ar está o raio que emergiu da gota no ponto B. No entanto, é difícil observá-lo, pois se perde contra o fundo de luz direta do sol... Os raios refratados no ponto C, juntos, criam uma arco-íris primário contra o fundo de uma nuvem escura e os raios refratados no ponto D
dar um arco-íris secundário, que, como se depreende do que foi dito, é menos intenso que o primário.
Para o caso K=1 obtemos Θ = 2 (59°37" - 40°26") + 1 = 137° 30".
Portanto, o ângulo de visão do arco-íris de primeira ordem é:
φ 1 \u003d 180 ° - 137 ° 30 "= 42 ° 30"
Para o raio DE" dando um arco-íris de segunda ordem, ou seja, no caso de K = 2, temos:
Θ = 2 (59°37" - 40°26") + 2 = 236°38".
Ângulo de visão do arco-íris de segunda ordem φ 2 = 180° - 234°38" = - 56°38".
Disto se segue (isso também pode ser visto na figura) que, no caso em consideração, um arco-íris de segunda ordem não é visível do solo. Para que seja visível, a luz deve entrar na gota por baixo (Fig. 30, b).
Ao considerar a formação de um arco-íris, mais um fenômeno deve ser levado em consideração - a refração desigual de ondas de luz de diferentes comprimentos, ou seja, raios de luz de cores diferentes. Esse fenômeno é chamado de dispersão. Devido à dispersão, os ângulos de refração ϒ e os ângulos de deflexão dos raios Θ em uma gota são diferentes para raios de cores diferentes. O percurso de três raios - vermelho, verde e roxo - é mostrado esquematicamente na Figura 30, a para o arco de primeira ordem e na Figura 30, b para o arco de segunda ordem.
Pode-se ver pelas figuras que a sequência de cores nesses arcos é oposta.
Na maioria das vezes vemos um arco-íris. Não são raros os casos em que duas faixas iridescentes aparecem simultaneamente no céu, localizadas uma acima da outra; eles observam, no entanto, muito raramente, e um número ainda maior de arcos celestes iridescentes - três, quatro e até cinco ao mesmo tempo. Esse fenômeno interessante foi observado pelos moradores de Leningrado em 24 de setembro de 1948, quando quatro arco-íris apareceram entre as nuvens sobre o Neva à tarde. Acontece que um arco-íris pode ocorrer não apenas da luz solar direta; muitas vezes aparece nos raios refletidos do sol. Isso pode ser visto na costa de baías marítimas, grandes rios e lagos. Três ou quatro desses arco-íris - comuns e refletidos - às vezes criam uma bela imagem. Como os raios do Sol refletidos na superfície da água vão de baixo para cima, o arco-íris formado nesses raios às vezes pode parecer completamente incomum.
Você não deve pensar que um arco-íris pode ser observado apenas durante o dia. Acontece à noite, porém, sempre fraco. Você pode ver esse arco-íris depois de uma chuva noturna, quando a lua aparece por trás das nuvens.
Alguma semelhança de um arco-íris pode ser obtida no experimento a seguir. Pegue um frasco de água, ilumine-o com a luz do sol ou uma lâmpada através de um buraco no quadro branco. Então um arco-íris ficará claramente visível no quadro (Fig. 31, a), e o ângulo de divergência dos raios em relação à direção inicial será de cerca de 41-42 ° (Fig. 31.6). Em condições naturais, não há tela, a imagem aparece na retina do olho e o olho projeta essa imagem nas nuvens.
Se um arco-íris aparecer à noite antes do pôr do sol, um arco-íris vermelho será observado. Nos últimos cinco ou dez minutos antes do pôr do sol, todas as cores do arco-íris, exceto o vermelho, desaparecem, torna-se muito brilhante e visível mesmo dez minutos após o pôr do sol.
Uma bela visão é um arco-íris no orvalho.
Pode ser observado ao nascer do sol na grama coberta de orvalho. Este arco-íris tem a forma de uma hipérbole.
halos
Ao olhar para um arco-íris em um prado, você notará involuntariamente um incrível halo de luz incolor - um halo em torno da sombra de sua cabeça. Isso não é uma ilusão de ótica ou um fenômeno de contraste. Quando a sombra cai na estrada, a auréola desaparece. Qual é a explicação para este fenômeno interessante? As gotas de orvalho certamente desempenham um papel importante aqui, pois quando o orvalho desaparece, o fenômeno desaparece.
Para descobrir a causa do fenômeno, faça o seguinte experimento. Pegue um frasco esférico cheio de água e exponha-o à luz solar. Deixe-a representar uma gota. Coloque uma folha de papel atrás do frasco próximo a ele, que atuará como grama. Olhe para o frasco em um pequeno ângulo em relação à direção dos raios incidentes. Você a verá iluminada pelos raios refletidos do papel. Esses raios vão quase exatamente em direção aos raios do Sol que incidem sobre o frasco. Leve os olhos um pouco para o lado, e a iluminação brilhante do frasco não será mais visível.
Aqui não estamos lidando com um feixe de luz disperso, mas direcionado, que emana de um ponto brilhante no papel. A lâmpada funciona como uma lente que direciona a luz para nós.
Um feixe de raios solares paralelos, após a refração na lâmpada, dá no papel uma imagem mais ou menos focada do Sol na forma de um ponto brilhante. Por sua vez, boa parte da luz emitida pelo ponto é captada pela lâmpada e, após refração na mesma, é direcionada de volta para o Sol, incluindo nossos olhos, já que estamos de costas para o Sol. As deficiências ópticas de nossa lente - os frascos fornecem algum fluxo de luz espalhado, mas ainda assim o fluxo principal de luz proveniente de um ponto brilhante no papel é direcionado para o Sol. Mas por que a luz refletida pelas folhas de grama não é verde?
Na verdade, tem um leve tom esverdeado, mas é principalmente branco, muito parecido com a luz refletida direcionalmente de superfícies pintadas lisas, como reflexos de um quadro-negro verde ou amarelo ou vitrais.
Mas as gotas de orvalho nem sempre são esféricas. Eles podem estar distorcidos. Então alguns deles direcionam a luz para o lado, mas ela passa pelos olhos. Outras gotículas, como, por exemplo, mostrada na Figura 33, têm tal forma que a luz que incide sobre elas, após uma ou duas reflexões, é direcionada de volta para o Sol e entra nos olhos do observador que está de costas para ele.
Finalmente, uma explicação mais espirituosa desse fenômeno deve ser notada: apenas aquelas folhas de grama refletem a luz direcionalmente, sobre as quais a luz direta do Sol incide, ou seja, aquelas que não são obscurecidas por outras folhas do lado do Sol. Se levarmos em conta que as folhas da maioria das plantas sempre voltam seu plano para o Sol, então é óbvio que haverá muitas folhas refletivas (Fig. 33, e). Portanto, halos também podem ser observados na ausência de orvalho, na superfície de um prado suavemente cortado ou campo comprimido.
