Účel lekcie
Oboznámiť študentov so zákonitosťami šírenia svetla na rozhraní dvoch prostredí, podať vysvetlenie tohto javu z pohľadu vlnovej teórie svetla.
|
Domáca úloha: § 61, úloha č.1035,1036.
Kontrola vedomostí
Test. odraz svetla
nový materiál
Pozorovanie lomu svetla.
Na rozhraní dvoch prostredí svetlo mení smer svojho šírenia. Časť svetelnej energie sa vracia do prvého média, to znamená, že svetlo sa odráža. Ak je druhé médium priehľadné, potom svetlo môže čiastočne prechádzať cez hranicu média, pričom spravidla mení aj smer šírenia. Tento jav sa nazýva lom svetla.
V dôsledku lomu sa pozoruje zjavná zmena tvaru predmetov, ich umiestnenia a veľkosti. Môžeme sa o tom presvedčiť jednoduchými pozorovaniami. Na dno prázdneho nepriehľadného pohára dáme mincu alebo iný drobný predmet. Pohneme pohárom tak, aby stred mince, okraj pohára a oko boli na rovnakej priamke. Bez zmeny polohy hlavy nalejeme do pohára vodu. Keď hladina vody stúpa, dno pohára s mincou sa akoby dvíha. Minca, ktorá bola predtým viditeľná len čiastočne, bude teraz plne viditeľná. Vložte ceruzku šikmo do nádoby s vodou. Ak sa pozriete na plavidlo zboku, môžete vidieť, že časť ceruzky, ktorá je vo vode, sa zdá byť posunutá na stranu.
Tieto javy sa vysvetľujú zmenou smeru lúčov na rozhraní dvoch prostredí – lom svetla.
Zákon lomu svetla určuje relatívnu polohu dopadajúceho lúča AB (pozri obrázok), lomeného DB a kolmou CE na rozhranie média, obnoveného v bode dopadu. Uhol α sa nazýva uhol dopadu a uhol β je uhol lomu.
Dopadajúce, odrazené a lomené lúče sa dajú ľahko pozorovať vďaka zviditeľneniu úzkeho lúča svetla. Priebeh takéhoto lúča vo vzduchu možno sledovať vyfúknutím trochy dymu do vzduchu alebo umiestnením clony pod miernym uhlom k lúču. Lomený lúč je viditeľný aj vo vode v akváriu zafarbenej fluoresceínom.
Nechajte dopadnúť rovinnú svetelnú vlnu na ploché rozhranie medzi dvoma médiami (napríklad zo vzduchu do vody) (pozri obr.). Vlnová plocha AC je kolmá na lúče A 1 A a B 1 B . Povrch MN najskôr dosiahne lúč A 1 A . Lúč B 1 B dosiahne povrch po čase Δt . Preto v momente, keď sa sekundárna vlna v bode B len začne excitovať, vlna z bodu A už má tvar pologule s polomerom
Vlnový povrch lomenej vlny možno získať nakreslením povrchovej dotyčnice ku všetkým sekundárnym vlnám v druhom prostredí, ktorých stredy ležia na rozhraní medzi médiami. V tomto prípade ide o rovinu BD. Je to obal sekundárnych vĺn. Uhol dopadu α lúča sa rovná CAB v trojuholníku ABC (strany jedného z týchto uhlov sú kolmé na strany druhého). teda
Uhol lomu β sa rovná uhlu ABD trojuholníka ABD. Takže
Delením výsledných rovníc člen po člene dostaneme:
|
|
kde n je konštantná hodnota nezávislá od uhla dopadu.
Z konštrukcie (viď obr.) je zrejmé, že dopadajúci lúč, lomený lúč a kolmica vztýčená v bode dopadu ležia v rovnakej rovine. Toto tvrdenie spolu s rovnicou podľa ktorej pomer sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu je konštantná hodnota pre dve prostredia, predstavuje zákon lomu svetla.
Platnosť zákona lomu si môžete overiť experimentálne meraním uhlov dopadu a lomu a výpočtom pomeru ich sínusov pri rôznych uhloch dopadu. Tento vzťah zostáva nezmenený.
index lomu.
Konštanta zahrnutá v zákone lomu svetla sa nazýva relatívny index lomu alebo index lomu druhého média vo vzťahu k prvému.
Huygensov princíp zahŕňa nielen zákon lomu. Pomocou tohto princípu sa odhalí fyzikálny význam indexu lomu. Rovná sa pomeru rýchlostí svetla v médiu, na hranici medzi ktorými dochádza k lomu:
|
|
Ak je uhol lomu β menší ako uhol dopadu α , potom podľa (*) je rýchlosť svetla v druhom prostredí menšia ako v prvom.
Index lomu prostredia vzhľadom na vákuum sa nazýva absolútny index lomu tohto média. Rovná sa pomeru sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu pri prechode svetelného lúča z vákua do daného prostredia.
Pomocou vzorca (**) je možné vyjadriť relatívny index lomu z hľadiska absolútnych indexov lomu n 1 a n 2 prvého a druhého média.
Skutočne, odvtedy
| a |
kde c je rýchlosť svetla vo vákuu
Médium s nižším absolútnym indexom lomu sa nazýva opticky menej husté médium.
Absolútny index lomu je určený rýchlosťou šírenia svetla v danom médiu, ktorá závisí od fyzikálneho stavu média, to znamená od teploty látky, jej hustoty a prítomnosti elastických napätí v nej. Index lomu závisí aj od vlastností samotného svetla. Spravidla je to pre červené svetlo menej ako pre zelené a pre zelené menej ako pre fialové.
Preto sa v tabuľkách indexov lomu pre rôzne látky zvyčajne uvádza, pre ktoré svetlo je daná hodnota n a v akom stave je médium. Ak takéto náznaky neexistujú, znamená to, že závislosť od týchto faktorov možno zanedbať.
Vo väčšine prípadov je potrebné uvažovať s prechodom svetla cez rozhranie vzduch-pevná látka alebo vzduch-kvapalina, a nie cez rozhranie vákuum-médium. Absolútny index lomu n 2 tuhej alebo kvapalnej látky sa však mierne líši od indexu lomu tej istej látky vo vzťahu k vzduchu. Absolútny index lomu vzduchu za normálnych podmienok pre žlté svetlo je teda približne 1,000292. teda
Pracovný list na lekciu
Vzorové odpovede
"Lom svetla"
Na rozhraní dvoch priehľadných prostredí sa spolu s odrazom svetla pozoruje jeho lom, prechádzajúci do iného prostredia, mení smer svojho šírenia.
K lomu svetelného lúča dochádza, keď dopadá šikmo na rozhranie (hoci nie vždy čítajte ďalej o úplnom vnútornom odraze). Ak lúč dopadne kolmo na povrch, potom v druhom prostredí nedôjde k lomu, lúč si zachová svoj smer a tiež pôjde kolmo na povrch.
4.3.1 Zákon lomu (špeciálny prípad)
Začneme konkrétnym prípadom, keď jedným z médií je vzduch. Táto situácia je prítomná vo veľkej väčšine úloh. Budeme diskutovať o príslušnom konkrétnom prípade zákona lomu a potom uvedieme jeho najvšeobecnejšiu formuláciu.
Predpokladajme, že lúč svetla prechádzajúci vzduchom dopadá šikmo na povrch skla, vody alebo iného priehľadného média. Pri prechode do média sa lúč láme a jeho ďalší priebeh je znázornený na obr. 4.11.
Streda O
Ryža. 4.11. Lom lúča na hranici ¾vzduch-médium¿
V mieste dopadu O sa nakreslí kolmý (alebo, ako sa hovorí, normálny) CD k povrchu média. Lúč AO sa ako predtým nazýva dopadajúci lúč a uhol medzi dopadajúcim lúčom a normálou je uhol dopadu. Lúč OB je lomený lúč; uhol medzi lomeným lúčom a normálou k povrchu sa nazýva uhol lomu.
Každé transparentné médium je charakterizované hodnotou n, ktorá sa nazýva index lomu tohto média. Indexy lomu rôznych médií nájdete v tabuľkách. Napríklad pre sklo n = 1;6 a pre vodu n = 1;33. Vo všeobecnosti má každé prostredie n > 1; index lomu sa rovná jednotke iba vo vákuu. Vzduch má n = 1;0003, takže pre vzduch to možno s dostatočnou presnosťou predpokladať v úlohách n = 1 (v optike sa vzduch od vákua príliš nelíši).
Zákon lomu (prechod ¾vzduch-médium).
1) Dopadajúci lúč, lomený lúč a normála k povrchu nakreslená v bode dopadu ležia v rovnakej rovine.
2) Pomer sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu sa rovná indexu lomu
prostredie:
Keďže n > 1, zo vzťahu (4.1) vyplýva, že sin > sin, teda > uhol lomu je menší ako uhol dopadu. Pamätajte: pri prechode zo vzduchu do média sa lúč po lomu približuje k normálu.
Index lomu priamo súvisí s rýchlosťou šírenia svetla v danom prostredí. Táto rýchlosť je vždy menšia ako rýchlosť svetla vo vákuu: v< c. И вот оказывается,
Prečo sa to stane, pochopíme pri štúdiu vlnovej optiky. Medzitým kombinujte
Riešime vzorce (4.1 ) a (4.2 ): | |||||
Keďže index lomu vzduchu je veľmi blízky jednotke, môžeme predpokladať, že rýchlosť svetla vo vzduchu je približne rovnaká ako rýchlosť svetla vo vákuu c. Ak to vezmeme do úvahy a pozrieme sa na vzorec (4.3), dospejeme k záveru: pomer sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu sa rovná pomeru rýchlosti svetla vo vzduchu k rýchlosti svetlo v médiu.
4.3.2 Reverzibilita svetelných lúčov
Teraz zvážte opačný priebeh lúča: jeho lom pri prechode z média do vzduchu. Tu nám pomôže nasledujúci užitočný princíp.
Princíp reverzibility svetelných lúčov. Dráha lúča nezávisí od toho, či sa lúč šíri smerom dopredu alebo dozadu. Pohybom v opačnom smere bude lúč sledovať presne rovnakú dráhu ako v smere dopredu.
Podľa princípu reverzibility bude lúč pri prechode z média do vzduchu sledovať rovnakú trajektóriu ako pri zodpovedajúcom prechode zo vzduchu do média (obr. 4.12) Jediný rozdiel medzi obr. 4.12 a obr. 4.11 je že smer lúča sa zmenil na opačný.
Streda O
Ryža. 4.12. Lom lúčov na hranici ¾stredný vzduch¿
Keďže geometrický obraz sa nezmenil, vzorec (4.1) zostane rovnaký: pomer sínusu uhla k sínusu uhla sa stále rovná indexu lomu média. Je pravda, že teraz uhly zmenili úlohu: uhol sa stal uhlom dopadu a uhol sa stal uhlom lomu.
V každom prípade, bez ohľadu na to, ako lúč prechádza zo vzduchu do média alebo z média do vzduchu, funguje nasledujúce jednoduché pravidlo. Berieme dva uhly, uhol dopadu a uhol lomu; pomer sínusu väčšieho uhla k sínusu menšieho uhla sa rovná indexu lomu média.
Teraz sme plne pripravení diskutovať o zákone lomu v samom všeobecný prípad.
4.3.3 Zákon lomu (všeobecný prípad)
Nechajte svetlo prejsť z média 1 s indexom lomu n1 do média 2 s indexom lomu n2. O médiu s vyšším indexom lomu sa hovorí, že je opticky hustejšie; v súlade s tým je médium s nižším indexom lomu považované za opticky menej husté.
Prechodom z opticky menej hustého prostredia do opticky hustejšieho sa svetelný lúč po lomu približuje k normálu (obr. 4.13). V tomto prípade je uhol dopadu väčší ako uhol lomu: > .
Ryža. 4.13. n1< n2 ) >
Naopak, prechodom z opticky hustejšieho prostredia do opticky menej hustého sa lúč viac odchyľuje od normálu (obr. 4.14). Tu je uhol dopadu menší ako uhol lomu:
Ryža. 4.14. n1 > n2)<
Ukazuje sa, že na oba tieto prípady sa vzťahuje jeden vzorec všeobecného zákona lomu, ktorý platí pre akékoľvek dve transparentné médiá.
Zákon lomu.
1) Nakreslený dopadajúci lúč, lomený lúč a kolmý na rozhranie média
v bod dopadu leží v rovnakej rovine.
2) Pomer sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu sa rovná pomeru indexu lomu druhého prostredia k indexu lomu prvého prostredia:
Je ľahké vidieť, že už skôr formulovaný zákon lomu pre prechod ¾vzduch-médium¿ je špeciálnym prípadom tohto zákona. Skutočne, za predpokladu, že vo vzorci (4.4) n1 = 1 an2 = n, dospejeme k vzorcu (4.1).
Pripomeňme si teraz, že index lomu je pomer rýchlosti svetla vo vákuu k rýchlosti svetla v danom prostredí: n1 = c=v1, n2 = c=v2. Ak to nahradíme (4.4), dostaneme:
Vzorec (4.5) prirodzene zovšeobecňuje vzorec (4.3). Pomer sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu sa rovná pomeru rýchlosti svetla v prvom prostredí k rýchlosti svetla v druhom prostredí.
4.3.4 Totálny vnútorný odraz
Keď svetelné lúče prechádzajú z opticky hustejšieho prostredia do opticky menej hustého, pozorujeme zaujímavý jav – úplný vnútorný odraz. Pozrime sa, čo to je.
Predpokladajme s určitosťou, že svetlo prechádza z vody do vzduchu. Predpokladajme, že v hĺbke nádrže je bodový zdroj svetla S, ktorý vyžaruje lúče do všetkých strán. Na niektoré z týchto lúčov sa pozrieme (obr. 4.15).
S B 1
Ryža. 4.15. Totálny vnútorný odraz
Lúč SO1 dopadá na hladinu vody v najmenšom uhle. Tento lúč sa čiastočne láme (lúč O1 A1 ) a čiastočne sa odráža späť do vody (lúč O1 B1 ). Časť energie dopadajúceho lúča sa teda prenáša na lomený lúč a zvyšok energie sa prenáša na odrazený lúč.
Uhol dopadu lúča SO2 je väčší. Tento lúč je tiež rozdelený na dva lúče lomené a odrazené. Ale energia pôvodného lúča je medzi nimi rozdelená iným spôsobom: lomený lúč O2 A2 bude slabší ako lúč O1 A1 (to znamená, že dostane menší podiel energie) a odrazený lúč O2 B2 bude byť zodpovedajúcim spôsobom jasnejší ako lúč O1 B1 (dostane väčší podiel energie).energie).
So zväčšujúcim sa uhlom dopadu možno vysledovať rovnakú pravidelnosť: rastúci podiel energie dopadajúceho lúča ide do odrazeného lúča a stále menší podiel na lomený lúč. Lomený lúč sa stáva stále slabším a v určitom okamihu úplne zmizne!
Toto vymiznutie nastane, keď uhol dopadu dosiahne 0, čo zodpovedá uhlu lomu 90°. V tejto situácii by lomený lúč OA musel ísť rovnobežne s vodnou hladinou, ale už tam nie je čo ísť.Všetka energia dopadajúceho lúča SO išla celá do odrazeného lúča OB.
Pri ďalšom zvyšovaní uhla dopadu bude lomený lúč dokonca chýbať.
Opísaný jav je úplný vnútorný odraz. Voda nevyžaruje smerom von lúče s uhlom dopadu rovným alebo väčším ako nejaká hodnota 0, všetky takéto lúče sa úplne odrážajú späť do vody. Uhol 0 sa nazýva hraničný uhol úplného odrazu.
Hodnota 0 sa dá ľahko nájsť zo zákona lomu. Máme:
hriech 0 | ||||||||||
Ale hriech 90 = 1, takže | ||||||||||
hriech 0 | ||||||||||
0 = arcsín | ||||||||||
Takže pre vodu je hraničný uhol úplného odrazu rovný:
0 = arcsin1; 1 33 48;8:
Fenomén totálneho vnútorného odrazu môžete ľahko pozorovať aj doma. Nalejte vodu do pohára, zdvihnite ho a pozerajte sa na hladinu vody mierne zospodu cez stenu pohára. Vďaka totálnemu vnútornému odrazu na povrchu uvidíte strieborný lesk, chová sa ako zrkadlo.
Najdôležitejšou technickou aplikáciou úplného vnútorného odrazu je vláknová optika. Svetelné lúče vrhané do optického kábla (optické vlákno) takmer rovnobežne s jeho osou, dopadajú na povrch pod veľkými uhlami a sú úplne odrážané späť do kábla bez straty energie. Lúče, ktoré sa opakovane odrážajú, idú ďalej a ďalej a prenášajú energiu na značnú vzdialenosť. Komunikácia z optických vlákien sa využíva napríklad v sieťach káblovej televízie a vysokorýchlostnom prístupe na internet.
Bezpochyby viete, ako hrdinovia z románu Julesa Verna „Tajomný ostrov“, opustení na neobývanej pôde, dostali oheň bez zápaliek a pazúrika. Robinsonovi prišiel na pomoc blesk, ktorý zapálil strom, no noví Robinsoni Julesa Verna nepomohla náhoda, ale vynaliezavosť erudovaného inžiniera a jeho solídna znalosť fyzikálnych zákonov. Pamätajte si, ako bol naivný námorník Pencroft prekvapený, keď po návrate z lovu našiel inžiniera a novinára pred plápolajúci oheň.
"Ale kto zapálil oheň?" spýtal sa námorník.
"Slnko," odpovedal Spilett.
Novinár si nerobil srandu. Skutočne, Slnko vydalo oheň, ktorý námorník tak obdivoval. Neveril vlastným očiam a bol taký ohromený, že sa inžiniera nemohol ani opýtať.
"Takže si mal horiaci pohár?" spýtal sa Herbert inžiniera.
Nie, ale podarilo sa mi to.
A ukázal to. Boli to jednoducho dva okuliare, ktoré zobral inžinier zo svojich hodiniek a zo Spilettových. Ich okraje pospájal hlinou, ktorú predtým naplnil vodou, a tak sa získala skutočná zápalná šošovica, pomocou ktorej koncentráciou slnečných lúčov na suchý mach inžinier zapálil oheň.
Čitateľ bude chcieť, myslím, vedieť, prečo je potrebné vyplniť priestor medzi sklíčkami hodiniek vodou: nekoncentruje bikonvexná šošovka naplnená vzduchom lúče?
presne nie. Sklíčko hodiniek je ohraničené dvoma rovnobežnými (koncentrickými) plochami – vonkajším a vnútorným; a z fyziky je známe, že pri prechode prostredím ohraničeným takýmito povrchmi lúče takmer nemenia svoj smer. Pri prechode cez druhé sklo rovnakého typu sa ani tu neodchyľujú, a preto sa nezostrujú. Aby sa lúče sústredili do jedného bodu, je potrebné vyplniť priestor medzi sklami nejakou priehľadnou látkou, ktorá by lúče lámala silnejšie ako vzduch. Rovnako aj inžinier v románe Julesa Verna.
Ako zápalná šošovica môže poslúžiť aj obyčajná karafa na vodu, ak je guľovitá. Vedeli to už starovekí ľudia, ktorí si tiež všimli, že samotná voda zostáva studená. Dokonca sa stalo, že karafa s vodou stojaca na otvorenom okne zapálila závesy, obrus a zuhoľnila stôl. Tie obrovské guľovité fľaše s farebnou vodou, ktorými sa podľa prastarého zvyku zdobili výklady lekární, mohli niekedy spôsobiť skutočné katastrofy spôsobujúce vznietenie horľavých látok nachádzajúcich sa v blízkosti.
S malou okrúhlou bankou naplnenou vodou, aj keď je banka malá, je možné priviesť vodu naliatu na hodinové sklíčko do varu: na to stačí banka s priemerom 12 centimetrov. Pri 15 cm v ohnisku [ohnisko je umiestnené veľmi blízko banky] sa dosiahne teplota 120°. Zapáliť si cigaretu s fľašou vody je rovnako ľahké ako so sklenenou šošovicou, o ktorej Lomonosov napísal vo svojej básni „O výhodách skla“:
Dostávame tu plameň slnečného skla
A pohodlne napodobňujeme Promethea.
Preklínam podlosť týchto neohrabaných klamstiev,
Fajčíme tabak nebeským ohňom bez hriechu.
Treba však poznamenať, že zápalný účinok vodných šošoviek je oveľa slabší ako u sklenených šošoviek. Je to spôsobené jednak tým, že lom svetla vo vode je oveľa menší ako v skle, a jednak voda silne absorbuje infračervené lúče, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu pri ohreve telies.
Je zvláštne, že zápalný účinok sklenenej šošovice poznali už starí Gréci, viac ako tisícročie pred vynálezom okuliarov a ďalekohľadov. Aristofanes ho spomína v slávnej komédii „Oblaky.“ Sokrates ponúka Streptiasovi úlohu:
„Ak by na teba niekto napísal záväzok v piatich talentoch, ako by si to zničil?
Streptiáda. Zistil som, ako zničiť záväzok, a to tak, že vy sami to uznáte za prefíkané! Videli ste, samozrejme, v lekárňach krásny, priehľadný kameň, ktorý je zapálený?
Sokrates. Požiarne sklo?
Streptiáda. presne tak.
Sokrates. Čo bude ďalej?
Streptiáda. Kým notár píše, ja, stojac za ním, nasmerujem lúče Slnka na povinnosť a slová roztopia všetko ... “
Pre upresnenie pripomeniem, že Gréci z čias Aristofana písali na voskované doštičky, ktoré sa teplom ľahko roztápali.
Ako založiť oheň ľadom?
Ľad môže slúžiť aj ako materiál pre bikonvexnú šošovku, a teda na zakladanie ohňa, ak je dostatočne priehľadný. Ľad, ktorý láme lúče, sa zároveň nezohrieva a neroztopí. Index lomu ľadu je len o niečo menší ako index lomu vody, a ak, ako sme videli, je možné zapáliť oheň pomocou gule vody, je to možné urobiť pomocou ľadovej šošovice.
Ľadová šošovica odviedla dobrú prácu v Ceste kapitána Hatterasa Julesa Verna. Doktor Clouboni takto zapálil oheň, keď cestujúci stratili kremeň a ocitli sa bez ohňa, v strašnom mraze 48 stupňov.
"Je to katastrofa," povedal Hatteras lekárovi.
"Áno," odpovedal.
„Nemáme ani ďalekohľad, ktorým by sme mohli zobrať šošovicu a urobiť oheň.
"Viem," odpovedal lekár, "a je škoda, že nie: slnečné lúče sú dosť silné na to, aby rozsvietili troud."
- Čo robiť, hlad musíte zahnať surovým medvedím mäsom, - povedal Hatteras.
„Áno,“ povedal doktor zamyslene, „aspoň. Ale prečo nie my...
- Čo si si myslel? spýtal sa Hatteras.
"Prišiel som s nápadom...
- Myšlienka? zvolal lodník. - Ak máte nejakú myšlienku, potom sme zachránení!
„Neviem, ako to bude možné,“ zaváhal lekár.
– Na čo si prišiel? spýtal sa Hatteras.
Šošovicu nemáme, ale spravíme si ju.
- Ako? spýtal sa lodník.
- Zomelieme z kúska ľadu.
- Myslíš si...
- Prečo nie? Je predsa len potrebné, aby sa lúče Slnka dostali do jedného bodu a na tento účel nám ľad môže nahradiť ten najlepší kryštál. Len ja by som uprednostnil kúsok sladkovodného ľadu: je silnejší a priehľadnejší.
"Tu, ak sa nemýlim, tento blok ľadu," ukázal lodník na ľadovú kryhu asi sto krokov od cestujúcich, "podľa farby je tu presne to, čo potrebujete."
- Máš pravdu. Vezmi si sekeru. Poďme priatelia.
Všetci traja išli k vyznačenému ľadovému bloku, skutočne sa ukázalo, že ľad je sladkovodný.
Doktor nariadil, aby sa odrezal kus ľadu s priemerom nohy a začal ho orezávať sekerou. Potom ho orezal nožom a nakoniec postupne vyleštil rukou. Ukázalo sa, že šošovica je priehľadná, akoby z toho najlepšieho kryštálu. Slnko celkom svietilo. Doktor vystavil šošovku svojim lúčom a zameral ich na tinder. O niekoľko sekúnd neskôr troska vznietila.“
Obrázok 113. "Lekár sústredil lúče Slnka na tinder."
Príbeh Julesa Verna nie je úplne fantastický: experimenty s osvetlením stromu ľadovo vychladenou šošovicou, ktoré sa prvýkrát úspešne uskutočnili v Anglicku s veľmi veľkou šošovicou už v roku 1763, sa odvtedy opakovane s úplným úspechom uskutočnili. Samozrejme je to ťažké vyrobiťtransparentnýľadovú šošovicu pomocou nástrojov, ako je sekera, nôž a „iba ruka“ (v 48-stupňovom mraze!), ale ľadovú šošovicu si môžete uľahčiť: nalejte vodu do šálky správneho tvaru a zmrazte a potom mierne zahriatie pohár, odstráňte ju z jej varenej šošovice.
Ryža. 114. Pohár na výrobu ľadovej šošovice.
Pri takomto experimente nezabúdajte, že je to možné len za jasného mrazivého dňa a pod holým nebom, nie však v miestnosti za okenným sklom: sklo pohltí značnú časť energie slnečných lúčov a nie dostatok na to, aby spôsobilo značné zahrievanie.
S pomocou slnečných lúčov
Urobte ďalší experiment, ktorý sa dá ľahko vykonať aj v zime. Položte na sneh, zaliate slnkom, dva kusy látky rovnakej veľkosti, svetlé a čierne. Po hodine alebo dvoch uvidíte, že čierna škvrna zapadla do snehu, zatiaľ čo svetlá zostala na rovnakej úrovni. Nie je ťažké nájsť dôvody pre takýto rozdiel: pod čiernou škvrnou sa sneh topí silnejšie, pretože tmavá tkanina absorbuje väčšinu slnečných lúčov, ktoré na ňu dopadajú; svetlo naopak väčšinu z nich rozptýli, a preto sa zahrieva menej ako čierna.
Tento poučný experiment prvýkrát vykonal známy bojovník za nezávislosť Spojených štátov Benjamin Franklin, ktorý sa ako fyzik zvečnil vynájdením bleskozvodu. "Od krajčíra som si zobral niekoľko štvorcových kusov látky rôznych farieb," napísal. "Medzi tým boli: čierna, tmavomodrá, svetlomodrá, zelená, fialová, červená, biela a rôzne iné farby a odtiene. Jeden jasný slnečný ráno som všetky tieto kúsky položil na sneh. Po niekoľkých hodinách sa čierny kúsok, ktorý sa zohrial viac ako ostatné, potopil tak hlboko, že ho lúče Slnka už nedosiahli; tmavomodrý sa potopil takmer rovnako ako čierna; svetlomodrá oveľa menej; ostatné farby sa potápali tým menej, čím boli svetlejšie, zatiaľ čo biela zostala na povrchu, t. j. neklesla vôbec."
„Načo by bola teória, keby sa z nej nedalo nič využiť?“ zvolá pri tejto príležitosti a pokračuje: „Nemôžeme z tejto skúsenosti odvodiť, že čierne šaty v teplom slnečnom podnebí sú menej vhodné ako biele, pretože v slnko nám viac zohrieva telo a ak ešte robíme pohyby, ktoré nás v sebe zohrievajú, tak vzniká nadmerné teplo, čo u niektorých spôsobuje úpal?... Ďalej, nemôžu tie začiernené steny počas dňa absorbovať toľko slnečného tepla ako zostať v noci do určitej miery v teple a chrániť ovocie pred mrazom?
Aké môžu byť tieto závery a užitočné aplikácie, ukazuje príklad nemeckej juhopolárnej expedície z roku 1903 na lodi Gauss. Loď bola zamrznutá v ľade a všetky obvyklé spôsoby uvoľnenia neviedli k žiadnym výsledkom. , odstránené iba niekoľko stoviek metrov kubických ľadu a nevyslobodili loď.Potom sa obrátili na pomoc slnečných lúčov: na ľade urobili pás tmavého popola a uhlia v dĺžke 2 km a šírke desať metrov, viedol z lode k najbližšej širokej medzere v ľade, jasné dlhé dni polárneho leta a slnečné lúče urobili to, čo nedokázali dynamit a píla: ľad sa roztopil a rozbil sa pozdĺž nahromadeného pásu a loď bola oslobodená od ľadu .
Staré a nové o fatamorgánach
Asi každý vie, aká je fyzická príčina obyčajnej fatamorgány. Horúci piesok púšte získava zrkadlové vlastnosti, pretože zohriata vrstva vzduchu susediaca s ním má nižšiu hustotu ako nadložné vrstvy. Naklonený lúč svetla z veľmi vzdialeného objektu, ktorý dosiahol túto vzduchovú vrstvu, ohýba v nej svoju dráhu tak, že sa pri ďalšom pohybe opäť vzďaľuje od zeme a dopadá na oko pozorovateľa, akoby sa odrážal od zrkadla vo veľmi veľký uhol dopadu. A pozorovateľovi sa zdá, že sa pred ním v púšti rozprestiera vodná plocha, ktorá odráža pobrežné objekty (obr. 115).
Ryža. 115. Ako vzniká fatamorgána na púšti. Táto kresba, bežne reprodukovaná v učebniciach, predstavuje dráhu svetelného lúča nakloneného k zemi prehnane strmým spôsobom.
Správnejšie by však bolo povedať, že zohriata vrstva vzduchu v blízkosti horúcej pôdy odráža lúče nie ako zrkadlo, ale ako vodná hladina pri pohľade z hĺbky vody. To, čo sa tu deje, nie je jednoduchý odraz, ale to, čo sa v jazyku fyziky nazýva „vnútorný odraz.“ Na to je potrebné, aby svetelný lúč vstupoval do vzduchových vrstiev veľmi jemne – jemnejšie, ako je znázornené na našom zjednodušenom Obr. 115; inak nebude prekročený „medzný uhol“ dopadu lúča a bez toho sa nedosiahne vnútorný odraz.
Pripomíname jeden bod tejto teórie, ktorý môže viesť k nedorozumeniu. Vyššie uvedené vysvetlenie vyžaduje také usporiadanie vzduchových vrstiev, pri ktorom by boli hustejšie vrstvy vyššie ako tie menej husté. Vieme však, že hustý, ťažký vzduch má tendenciu klesať a tlačiť spodnú ľahkú vrstvu plynu nahor. Ako môže existovať usporiadanie vrstiev hustého a redšieho vzduchu, ktoré je nevyhnutné pre vznik fatamorgány?
Ryža. 116. Mirage na asfalte.
Odpoveď spočíva v tom, že požadované usporiadanie vzduchových vrstiev nie je v nehybnom vzduchu, ale vo vzduchu v pohybe. Vrstva vzduchu ohriata pôdou na nej nedolieha, ale je neustále vytláčaná nahor a je okamžite nahradená novou vrstvou ohriateho vzduchu. Nepretržitá zmena spôsobuje, že k horúcemu piesku vždy prilieha určitá vrstva riedeného vzduchu, aj keď nie rovnaká, ale to je už ľahostajné k priebehu lúčov.
Typ fatamorgána, o ktorom uvažujeme, je známy už od staroveku. V modernej meteorológii sa nazýva „dolná“ fatamorgána (na rozdiel od „hornej“ fatamorgány, ktorá vzniká odrazom svetelných lúčov vrstvami riedeného vzduchu vo vyšších vrstvách atmosféry). Väčšina ľudí je presvedčená, že túto klasickú fatamorgánu možno pozorovať len v dusnom vzduchu južných púští a nevyskytuje sa v severnejších zemepisných šírkach.
Medzitým sa v našej oblasti často vyskytuje nižšia fatamorgána. Takéto javy sú časté najmä v lete na asfaltových a asfaltových cestách, ktoré sa pre svoju tmavú farbu na slnku veľmi zahrievajú. Matný povrch vozovky sa potom zdá z diaľky akoby poliaty vodou a odráža vzdialené predmety. Dráha svetelných lúčov v tejto fatamorgána je znázornená na obr. 116. S určitým pozorovaním možno takéto javy vidieť nie tak zriedka, ako sa bežne predpokladá.
Existuje aj iný druh fatamorgána – fatamorgánastrane, o ktorej existencii sa väčšinou ani len netuší. Toto je odraz od vyhrievanej čírej steny. Takýto prípad opisuje jeden francúzsky autor. Keď sa blížil k pevnosti pevnosti, všimol si, že rovnomerný betónový múr pevnosti sa odrazu leskne ako zrkadlo a odráža okolitú krajinu, pôdu, oblohu. Spravil ešte pár krokov a všimol si rovnakú zmenu aj na druhej stene pevnosti. Zdalo sa, akoby sivý nerovný povrch zrazu vystriedal vyleštený. Bol dusný deň a steny museli byť veľmi horúce, čo bolo kľúčom k ich zázračnosti. Na obr. 117 je znázornená poloha hradieb pevnosti (F a F") a poloha pozorovateľa (A a A"). Ukázalo sa, že fatamorgána sa pozoruje vždy, keď je stena dostatočne rozpálená slnečnými lúčmi.Tento úkaz sa nám dokonca podarilo odfotografovať.
Na obr. 118 ukazuje (vľavo) stenu F pevnosti, najprv matnú a potom lesklú (vpravo), ako zrkadlo (prevzaté z bodu A"). Ľavý obrázok ukazuje obyčajný sivý betón, v ktorom je samozrejme postavy dvoch napravo - tá istá stena z väčšej časti nadobudla zrkadlové vlastnosti a najbližšia postava vojaka v nej dáva svoj symetrický obraz. Samozrejme, nie povrch samotnej steny odráža lúče , ale iba vrstva ohriateho vzduchu, ktorá k nej prilieha.
Ryža. 117. Plán pevnosti, kde bola fatamorgána pozorovaná. Stena F sa zdala zrkadlová z bodu A, stena F" - z bodu A"
Ryža. 118. Sivá nerovná stena (vľavo) sa zrazu stáva akoby vyleštenou, reflexnou (vpravo).
V horúcich letných dňoch si treba dávať pozor na vyhrievané steny veľkých budov a hľadať fatamorgány. Niet pochýb, že s určitou pozornosťou by sa počet pozorovaných prípadov fatamorgány mal výrazne zvýšiť.
"Zelený lúč"
"Pozorovali ste niekedy Slnko zapadajúce pod horizontom mora? Áno, nepochybne. Sledovali ste ho až do momentu, keď sa horný okraj disku dotkne horizontu a potom zmizne? Pravdepodobne áno. Všimli ste si však jav, čo sa stane v momente, keď svietiace svetlo vyžaruje svoj posledný lúč, ak je obloha bez mrakov a je úplne priehľadná, farba, ktorú na svoju paletu nedostane žiadny umelec a ani samotná príroda sa nereprodukuje v rôznych odtieňoch vegetácie , alebo vo farbe najpriehľadnejšieho mora.
Podobná poznámka v anglických novinách priviedla mladú hrdinku románu Julesa Verna „The Green Ray“ do nadšeného stavu a podnietila ju podniknúť sériu výletov s jediným cieľom vidieť zelený lúč na vlastné oči. nemohol, ako hovorí spisovateľ, pozorovať tento krásny prírodný fenomén. Ale stále existuje. Zelený lúč nie je legenda, aj keď je s ním veľa legendárnych vecí. Je to fenomén, ktorý môže obdivovať každý milovník prírody ak ho hľadá s patričnou trpezlivosťou.
Prečo sa objaví zelený lúč?
Príčinu javu pochopíte, ak si zapamätáte, v akej podobe sa nám predmety javia, keď sa na ne pozeráme cez sklenený hranol. Urobte tento experiment: držte hranol pri oku vodorovne širokou stranou nadol a pozerajte sa cez neho na kus papiera pripnutý na stene. Všimnete si, že list po prvé vyrástol oveľa vyššie, ako je jeho skutočná poloha, a po druhé, má fialovo-modrý okraj v hornej časti a žlto-červený v spodnej časti. Zvyšovanie závisí od lomu svetla, farebné hranice - nadisperziasklo, teda vlastnosti sklanerovnomernelámu lúče rôznychfarby.Fialové a modré lúče sa lámu silnejšie ako ostatné, takže na vrchu vidíme fialovo-modrý okraj; červené sa lámu najslabšie, a preto má spodný okraj nášho hárku papiera červený okraj.
Pre lepšie pochopenie toho, čo nasleduje, je potrebné sa pozastaviť nad pôvodom týchto farebných okrajov. Hranol rozkladá biele svetlo vychádzajúce z papiera na všetky farby spektra, čím poskytuje mnoho farebných obrazov hárku papiera, usporiadaných, čiastočne na sebe navrstvených, v poradí lomu. Zo súčasného pôsobenia týchto superponovaných. Oči na sebe na farebných obrazoch získajú pocit bielej farby (pridanie spektrálnych farieb), ale na vrchu a spodku sú okraje nemiešateľných farieb. Slávny básnik Goethe, ktorý prešiel týmto experimentom a nepochopil jeho význam, si predstavoval, že takto odhalil falošnosť Newtonovej doktríny farieb, a potom napísal svoju vlastnú „Vedu o farbách“, ktorá je takmer celá založená na falošných predstavách. Čitateľ pravdepodobne nebude opakovať bludy veľkého básnika a nebude očakávať, že hranol mu prefarbí všetky predmety. Atmosféra Zeme je pre naše oči ako obrovský vzdušný hranol otočený základňou nadol. Pohľad na Slnko pri obzore sa na to pozeráme cez plynový hranol.Slnkový kotúč prijíma hore je hranica modrej a zelenej, dole červeno-žltá.Kým je Slnko nad horizontom, svetlo kotúč svojou jasnosťou prerušuje oveľa menej žiarivé farebné pruhy a my si ich vôbec nevšimneme.No vo chvíľach východu a západu slnka, keď je takmer celý jeho kotúč skrytý pod obzorom, môžeme vidieť modrý okraj horného okraj.Je dvojfarebný: hore je modrý pruh, dole - modrý, zo zmesi modrých a zelených lúčov ktorých. Keď je vzduch pri obzore úplne čistý a priehľadný, vidíme modrý okraj – „modrý lúč". Ale častejšie sú modré lúče rozptýlené atmosférou a zostáva len jeden zelený okraj: fenomén „zeleného lúča" . Nakoniec, vo väčšine prípadov sú modré a zelené lúče rozptýlené aj zamračenou atmosférou - vtedy sa nepozoruje žiadna hranica: Slnko zapadá do karmínovej gule.
Pulkovský astronóm G. A. Tikhov, ktorý venoval špeciálnu štúdiu „zelenému lúču“, uvádza niektoré známky viditeľnosti tohto javu: „Ak má Slnko pri západe slnka červenú farbu a je ľahké sa naň pozrieť jednoduchým okom, potom môžeme s istotou povedať, že nebude žiadny zelený lúč “. Dôvod je jasný: červená farba slnečného disku naznačuje silný rozptyl modrých a zelených lúčov atmosférou, teda celým horným okrajom disku. „Naopak,“ pokračuje astronóm, „ak Slnko len málo zmenilo svoju obvyklú belavo-žltú farbu a zapadá veľmi jasne (to znamená, ak je absorpcia svetla atmosférou malá. –I.P.), potom môžeme s najväčšou pravdepodobnosťou očakávať zelený lúč. Ale tu je len dôležité, aby bol horizont ostrý, bez akýchkoľvek nepravidelností, blízky les, budovy atď. Tieto podmienky sú najlepšie splnené na mori; preto je zelený lúč námorníkom tak dobre známy.“
Takže, aby ste videli „zelený lúč“, musíte Slnko pozorovať v čase západu alebo východu slnka s veľmi jasnou oblohou. V južných krajinách je obloha pri obzore priehľadnejšia ako tá naša, takže „zelená“ lúč“ sa tam pozoruje častejšie. Ale u nás to nie je také zriedkavé, ako si mnohí myslia, zrejme pod vplyvom románu Julesa Verna. Vytrvalé pátranie po „zelenom lúči" je skôr či neskôr odmenené úspechom. Tento krásny úkaz sa podarilo zachytiť aj ďalekohľadom. Dvaja alsaskí astronómovia takéto pozorovanie opisujú takto:
"...V poslednej minúte pred západom Slnka, keď je teda ešte viditeľná jeho viditeľná časť, je kotúč, ktorý má zvlnený pohyb, ale ostro ohraničený okraj, obklopený zeleným okrajom. Kým sa Slnko úplne nastavený, tento okraj nie je voľným okom viditeľný. Viditeľný sa stáva až v momente úplného zmiznutia Slnka za obzorom. Ak sa pozriete cez ďalekohľad s dostatočne silným zväčšením (asi 100-krát), môžete sledovať podrobne všetky javy: zelený okraj je viditeľný najneskôr 10 minút pred západom slnka, obmedzuje hornú časť disku, zatiaľ čo zospodu je červený okraj. sekundách oblúka), zväčšuje sa pri západe Slnka, niekedy dosahuje až pol minúty oblúka. Nad zeleným okrajom sú často pozorované zelené výčnelky, ktoré s postupným miznutím Slnka akoby kĺzali po jeho okraji k najvyšší bod; niekedy vypadnú z ráfika a samostatne žiaria niekoľko sekúnd, kým nezhasnú“ (obr. 119).
Ryža. 119. Dlhodobé pozorovanie „zeleného lúča“ pozorovateľ videl „zelený lúč“ za pohorím na 5 minút. Vpravo hore je "zelený lúč" viditeľný cez ďalekohľad. Disk Slnka má nepravidelné obrysy. V polohe 1 oslnenie slnečného disku oslepuje oko a bráni tomu, aby bolo zelené ohraničenie vidieť voľným okom. V polohe 2, keď disk Slnka takmer zmizne, sa „zelený lúč“ stane dostupným voľným okom.
Zvyčajne tento jav trvá sekundu alebo dve. Ale za výnimočných okolností sa jeho trvanie výrazne predlžuje. Bol zaznamenaný prípad, keď bol „zelený lúč“ pozorovaný dlhšie ako 5 minút! Slnko zapadalo za vzdialenú horu a pozorovateľ v rýchlom tempe uvidel zelený okraj slnečného disku, akoby sa kĺzal po úbočí hory (obr. 119).
Veľmi poučné prípady pozorovania „zeleného lúča“ prisvitanieSlnko, keď sa spod obzoru začína objavovať horný okraj svietidla. To vyvracia často vyslovované dohady, že „zelený lúč“ je optická ilúzia, ktorej oko podľahne, keď je unavené z jasného lesku práve zapadajúceho Slnka.
Slnko nie je jediným svietidlom, ktoré vysiela „zelený lúč.“ Náhodou bolo vidieť tento jav generovaný zapadajúcou Venušou [O fatamorgánach a zelenom lúči sa môžete dozvedieť z vynikajúcej knihy M. Minnarta „Svetlo a farba v prírode". Fizmatgiz, 1958Poznámka. vyd.].
Lom svetla je zmena smeru lúča na rozhraní dvoch prostredí rôznej hustoty.
Vysvetlenie: lúč svetla dopadajúci do vody mení svoj smer na hranici dvoch médií (teda na hladine vody). Lúč sa doslova láme. Tento jav sa nazýva lom svetla. Stáva sa to preto, že voda a vzduch majú rôznu hustotu. Voda je hustejšia ako vzduch a rýchlosť lúča svetla dopadajúceho na jej povrch sa spomaľuje. Voda je teda opticky hustejšie médium.
Optická hustota média sa vyznačuje rôznymi rýchlosťami šírenia svetla.
uhol lomu (ϒ) je uhol tvorený lomeným lúčom a kolmicou na bod dopadu lúča na rozhraní medzi dvoma médiami.
vysvetlenie:
Lúč dopadol v určitom bode na hladinu vody a lámal sa. Narysujme z tohto bodu kolmicu v tom istom smere, v ktorom „odišiel“ lomený lúč – v našom prípade kolmica smeruje ku dnu zásobníka. Uhol, ktorý zviera táto kolmica a lomený lúč, sa nazýva uhol lomu.
Ak svetlo prechádza z opticky menej hustého prostredia do opticky hustejšieho prostredia, potom je uhol lomu vždy menší ako uhol dopadu.
Napríklad svetlo dopadajúce do vody má uhol dopadu väčší ako uhol lomu. Dôvodom je, že voda je hustejšie médium ako vzduch.
Pre akékoľvek dve médiá s rôznou optickou hustotou platí nasledujúci vzorec:
hriech α
---
= n
hriechϒ
kde n je konštantná hodnota nezávislá od uhla dopadu.
vysvetlenie:
Zoberme si tri lúče padajúce do vody.
Ich uhly dopadu sú 30°, 45° a 60°.
Uhly lomu týchto lúčov budú 23°, 33° a 42°.
Ak urobíme pomer uhlov dopadu a uhlov lomu, dostaneme rovnaké číslo:
hriech 30° hriech 45° hriech 60°
--- = --- = ---
≅ 1,3
hriech 23° hriech 33° hriech 42°
Ak teda rozdelíme uhol dopadu lúča na vodu a uhol jeho lomu, dostaneme 1,3. Toto je konštanta ( n ), ktorý sa zistí pomocou vyššie uvedeného vzorca.
Dopadajúci lúč, lomený lúč a kolmica vedená z bodu dopadu lúča ležia v rovnakej rovine.
LOM SVETLA PRI PRECHODE Z VODY NA VZDUCH
Tyčinka ponorená do vody, lyžička v pohári čaju sa nám v dôsledku lomu svetla na hladine vody zdajú byť lomené.
Položte mincu na dno nepriehľadnej nádoby tak, aby ju nebolo vidieť. Teraz nalejte vodu do nádoby. Minca bude viditeľná. Vysvetlenie tohto javu je jasné z videa.
Pozrite sa na dno jazierka a skúste odhadnúť jeho hĺbku. Väčšinou to nefunguje správne.
Pozrime sa podrobnejšie na to, ako a ako veľmi sa nám zdá byť hĺbka nádrže znížená, ak sa na ňu pozrieme zhora.
Nech H (obr. 17) je skutočná hĺbka nádrže, na dne ktorej leží malý predmet, napríklad kamienok. Svetlo, ktoré odráža, sa rozchádza všetkými smermi. Určitý zväzok lúčov dopadá na hladinu vody v bode O zdola pod uhlom a 1, láme sa na hladine a vstupuje do oka. Podľa zákona lomu môžeme písať:
ale keďže n 2 \u003d 1, potom n 1 sin a 1 \u003d sin ϒ 1.
Lomený lúč vstupuje do oka v bode B. Všimnite si, že do oka nevstupuje jeden lúč, ale zväzok lúčov, ktorého prierez je obmedzený očnou zrenicou.
Na obrázku 17 je lúč znázornený ako tenké čiary. Tento lúč je však úzky a jeho prierez môžeme zanedbať a považovať ho za čiaru AOB.
Oko premieta A do bodu A 1 a hĺbka nádrže sa nám zdá rovná h.
Z obrázku je zrejmé, že zdanlivá hĺbka nádrže h závisí od skutočnej hodnoty H a od pozorovacieho uhla ϒ 1 .
Vyjadrime túto závislosť matematicky.
Z trojuholníkov AOC a A 1 OS máme:
Vylúčením OS z týchto rovníc dostaneme:
Vzhľadom na to, že a \u003d ϒ 1 a sin ϒ 1 \u003d n 1 sin a 1 \u003d n sin a, dostaneme:
V tomto vzorci sa závislosť zdanlivej hĺbky nádrže h od skutočnej hĺbky H a pozorovacieho uhla explicitne neobjavuje. Pre jasnejšie znázornenie tejto závislosti si ju vyjadrime graficky.
Na grafe (obr. 18) sú pozdĺž osi x vynesené hodnoty pozorovacích uhlov v stupňoch a pozdĺž osi y sú im zodpovedajúce zdanlivé hĺbky h v zlomkoch skutočnej hĺbky H. krivka ukazuje, že pri malých pozorovacích uhloch je zdanlivá hĺbka
je asi ¾ skutočnej hodnoty a klesá so zväčšujúcim sa uhlom pohľadu. Pri pozorovacom uhle a = 47° dochádza k úplnému vnútornému odrazu a lúč nemôže uniknúť z vody.
MIRAGES
V nehomogénnom prostredí sa svetlo nešíri priamočiaro. Ak si predstavíme médium, v ktorom sa index lomu mení zdola nahor, a mentálne ho rozdelíme na tenké horizontálne vrstvy,
potom vzhľadom na podmienky lomu svetla pri prechode z vrstvy na vrstvu konštatujeme, že v takomto prostredí by mal svetelný lúč postupne meniť svoj smer (obr. 19, 20).
K takémuto zakriveniu svetelného lúča dochádza v atmosfére, v ktorej sa z jedného alebo druhého dôvodu, najmä v dôsledku jeho nerovnomerného ohrevu, mení index lomu vzduchu s výškou (obr. 21).
Vzduch je zvyčajne ohrievaný pôdou, ktorá absorbuje energiu slnečných lúčov. Preto s výškou klesá teplota vzduchu. Je tiež známe, že hustota vzduchu klesá s výškou. Zistilo sa, že s rastúcou výškou index lomu klesá, takže lúče prechádzajúce atmosférou sú ohnuté a ohýbajú sa smerom k Zemi (obr. 21). Tento jav sa nazýva normálny atmosférický lom. Nebeské telesá sa nám v dôsledku lomu zdajú akési „vyzdvihnuté“ (nad svoju skutočnú výšku) nad horizontom.
Vypočítalo sa, že atmosferický lom "zdvihne" predmety vo výške 30° o 1"40", vo výške 15° - o 3"30", vo výške 5° - o 9"45". Pre telesá na horizonte táto hodnota dosahuje 35". Tieto čísla sa odchyľujú jedným alebo druhým smerom v závislosti od tlaku a teploty atmosféry. Z toho či onoho dôvodu však vzduchové hmoty majú teplotu vyššiu ako spodné vrstvy. môžu byť prinesené vetrom z horúcich krajín, napríklad z horúcej púštnej oblasti. Ak je v tomto čase studený, hustý vzduch tlakovej výše v spodných vrstvách, potom sa jav lomu môže výrazne zvýšiť a lúče svetla prichádzať z pozemských objektov smerom nahor pod určitým uhlom k horizontu sa môžu vrátiť späť na zem (obr. 22).
Môže sa však stať, že na povrchu Zeme sa vplyvom jej silného ohrevu vzduch tak zohreje, že index lomu svetla v blízkosti pôdy bude menší ako v určitej výške nad pôdou. Ak je zároveň pokojné počasie, môže tento stav pretrvávať pomerne dlho. Potom môžu byť lúče z predmetov dopadajúcich pod nejakým dosť veľkým uhlom na zemský povrch ohnuté natoľko, že po opísaní oblúka v blízkosti zemského povrchu budú smerovať zdola nahor (obr. 23a). Prípad zobrazený na obrázku 236 je tiež možný.
Vyššie popísané stavy v atmosfére vysvetľujú výskyt zaujímavých javov – atmosférických fatamorgánu. Tieto javy sa zvyčajne delia do troch tried. Prvá trieda zahŕňa tie najbežnejšie a najjednoduchšie, takzvané jazerné (alebo nižšie) fatamorgány, ktoré spôsobujú medzi cestovateľmi v púšti toľko nádejí a sklamaní.
Francúzsky matematik Gaspard Monge, ktorý sa zúčastnil egyptského ťaženia v roku 1798, opisuje svoje dojmy z tejto triedy fata morgánov takto:
„Keď je povrch Zeme silne zahriaty Slnkom a pred súmrakom sa ešte len začína ochladzovať, známy terén sa už nerozprestiera k horizontu ako cez deň, ale prechádza, ako sa zdá, asi o jeden ligy do nepretržitej povodne.
Dediny ďalej vyzerajú ako ostrovy v rozľahlom jazere. Pod každou dedinou je jej prevrátený odraz, len nie je ostrý, nevidno malé detaily, ako odraz vo vode kymácanej vetrom. Ak sa blížite k dedine, ktorá sa zdá byť obkolesená povodňou, breh pomyselnej vody sa vzďaľuje, vodné rameno, ktoré nás oddeľovalo od dediny, sa postupne zužuje, až úplne zmizne a za touto dedinou začína jazero ... , odrážajúce obce ležiace ďalej“ (obr. 24).
Vysvetlenie tohto javu je jednoduché. Spodné vrstvy vzduchu, ohriate pôdou, nestihli vstať; ich index lomu je menší ako horné. Do oka preto zospodu vstupujú lúče svetla vychádzajúce z predmetov (napríklad z bodu B na palme, obr. 23a), ohýbajúce sa vo vzduchu. Oko premieta lúč do bodu B1. To isté sa deje s lúčmi prichádzajúcimi z iných bodov objektu. Pozorovateľovi sa objekt javí ako prevrátený.
Odkiaľ je voda? Voda je odrazom oblohy.
Ak chcete vidieť fatamorgánu, nemusíte ísť do Afriky. Dá sa pozorovať v horúcom, tichom letnom dni a nad rozpáleným povrchom asfaltovej diaľnice.
Zázraky druhej triedy sa nazývajú zázraky s nadradeným alebo vzdialeným videním. Najviac sa im podobá „neslýchaný zázrak“, ktorý opísal N. V. Gogol. Uvádzame popisy niekoľkých takýchto fatamorgánov.
Z francúzskeho Cote d'Azur sa za skorého jasného rána, z vôd Stredozemného mora, z obzoru týči temná reťaz hôr, v ktorých obyvatelia spoznávajú Korziku. Vzdialenosť na Korziku je viac ako 200 km, takže priamka neprichádza do úvahy.
Na anglickom pobreží, neďaleko Hastingsu, je vidieť francúzske pobrežie. Ako uvádza prírodovedec Niedige, „pri Reggiu v Kalábrii, oproti sicílskemu pobrežiu a mestu Messina, sú niekedy vo vzduchu viditeľné celé neznáme oblasti s pasúcimi sa stádami, cyprusovými hájmi a hradmi. Po krátkom pobyte vo vzduchu fatamorgány zmiznú.
Zázraky na diaľku sa objavia, ak sa horné vrstvy atmosféry z nejakého dôvodu ukážu ako obzvlášť riedke, napríklad keď sa tam dostane ohriaty vzduch. Potom sú lúče vychádzajúce z pozemských objektov silnejšie ohnuté a dostávajú sa na zemský povrch, pričom idú pod veľkým uhlom k horizontu. Oko pozorovateľa ich premieta smerom, ktorým doň vstupujú.
Zrejme v tom veľký počet fatamorgány videnia do diaľky pozorujeme na pobreží Stredozemného mora, môže za to saharská púšť. Masy horúceho vzduchu stúpajú nad ním, potom sú unášané na sever a vytvárajú priaznivé podmienky pre výskyt fatamorgánu.
Vynikajúce fatamorgány sú pozorované aj v severných krajinách, keď fúkajú teplé južné vetry. Horné vrstvy atmosféry sa zahrievajú a spodné sa ochladzujú v dôsledku prítomnosti veľkých hmôt topiaceho sa ľadu a snehu.
Niekedy sú pozorované priame aj spätné obrazy objektov. Obrázky 25-27 ukazujú presne takéto javy pozorované v arktických zemepisných šírkach. Zdá sa, že nad Zemou sa striedajú hustejšie a redšie vrstvy vzduchu, ktoré ohýbajú lúče svetla približne tak, ako je znázornené na obrázku 26.
Zázraky tretej triedy – ultradlhé videnie – sa ťažko vysvetľujú. Poďme si popísať niekoľko z nich.
„Na základe svedectiev niekoľkých osôb, ktoré sú dôveryhodné,“ píše K. Flamarion v knihe „Atmosféra“, „môžem podať správu o fatamorgána, ktorý bol videný v meste Verviers (Belgicko) v júni 1815. Jedného rána obyvatelia mesta uvideli na oblohe armádu a bolo tak jasné, že rozoznali obleky delostrelcov, delo s rozbitým kolesom, ktoré malo spadnúť ... Bolo ráno r. bitka pri Waterloo! Vzdialenosť medzi Waterloo a Verviers v priamej línii je 105 km.
Existujú prípady, keď boli fatamorgány pozorované vo vzdialenosti 800, 1000 alebo viac kilometrov.
Tu je ďalší úžasný prípad. V noci 27. marca 1898 uprostred Tichého oceánu posádku brémskej lode Matador vystrašila vízia. Okolo polnoci posádka zbadala loď vzdialenú asi dve míle (3,2 km), ktorá bojovala so silnou búrkou.
Prekvapilo to o to viac, že okolie bolo pokojné. Loď prekročila kurz Matadoru a boli chvíle, keď sa zdalo, že zrážka lodí je neodvratná... Posádka Matadoru videla, ako pri jednom silnom údere vlny proti neznámej lodi zhaslo svetlo. v kapitánskej kajute, ktorá bola celý čas viditeľná v dvoch oknách. Po chvíli loď zmizla, vzala so sebou vietor a vlny.
Vec sa neskôr objasnila. Ukázalo sa, že toto všetko sa stalo s ďalšou loďou, ktorá bola v čase „vízie“ od „Matadoru“ vo vzdialenosti 1700 km.
Akými spôsobmi sa svetlo šíri v atmosfére, aby sa zachovali zreteľné obrazy objektov na tak veľké vzdialenosti? Na túto otázku zatiaľ neexistuje presná odpoveď. Objavili sa návrhy na vznik obrovských vzduchových šošoviek v atmosfére, oneskorenie sekundárnej fatamorgány, t.j. fatamorgány z fata morgánu. Je možné, že tu zohráva úlohu ionosféra*, ktorá odráža nielen rádiové vlny, ale aj svetelné vlny.
Opísané javy majú zrejme rovnaký pôvod ako iné fatamorgány pozorované na moriach, nazývané „Lietajúci Holanďan“ alebo „Fata Morgana“, keď námorníci vidia lode duchov, ktoré potom miznú a vyvolávajú strach u poverčivých ľudí.
DÚHA
Dúha - tento krásny nebeský úkaz - vždy priťahovala pozornosť človeka. V dávnych dobách, keď ľudia ešte vedeli veľmi málo o svete okolo seba, bola dúha považovaná za „nebeské znamenie“. Starovekí Gréci si teda mysleli, že dúha je úsmev bohyne Iridy.
Dúhu pozorujeme v smere opačnom k Slnku, na pozadí dažďových mrakov alebo dažďa. Viacfarebný oblúk sa zvyčajne nachádza vo vzdialenosti 1-2 km od pozorovateľa, niekedy ho možno pozorovať vo vzdialenosti 2-3 m na pozadí kvapiek vody tvorených fontánami alebo rozprašovačmi vody.
Stred dúhy je na pokračovaní priamky spájajúcej Slnko a oko pozorovateľa – na protislnečnej čiare. Uhol medzi smerom k hlavnej dúhe a antisolárnou čiarou je 41-42° (obr. 28).
V čase východu Slnka je antisolárny bod (bod M) na línii horizontu a dúha vyzerá ako polkruh. Keď slnko vychádza, antisolárny bod klesá pod horizont a veľkosť dúhy sa zmenšuje. Je to len časť kruhu. Pre pozorovateľa, ktorý je vysoko, napr. lietadla, dúha je vnímaná ako úplný kruh s tieňom pozorovateľa v strede.
Často existuje sekundárna dúha, sústredná s prvou, s uhlovým polomerom asi 52 ° a opačným usporiadaním farieb.
Pri výške Slnka 41° prestáva byť viditeľná hlavná dúha a nad horizontom sa objaví len časť vedľajšej dúhy a pri výške Slnka viac ako 52° nie je viditeľná ani vedľajšia dúha. Preto v stredných a rovníkových zemepisných šírkach nie je tento prírodný jav nikdy pozorovaný počas blízkych poludňajších hodín.
Dúha, rovnako ako spektrum, má sedem základných farieb, ktoré hladko prechádzajú jedna do druhej. Tvar oblúka, jas farieb, šírka pruhov závisí od veľkosti kvapiek vody a ich počtu. Veľké kvapky vytvárajú užšiu dúhu, s ostro vystupujúcimi farbami, malé kvapky vytvárajú oblúk, ktorý je rozmazaný, vyblednutý až biely. Preto je v lete po búrke, počas ktorej padajú veľké kvapky, viditeľná jasná úzka dúha.
Prvýkrát teóriu dúhy uviedol v roku 1637 R. Descartes. Dúhu vysvetlil ako jav spojený s odrazom a lomom svetla v kvapkách dažďa.
Vznik farieb a ich postupnosť boli vysvetlené neskôr, po odhalení komplexnej povahy bieleho svetla a jeho disperzie v médiu. Difrakčnú teóriu dúhy vyvinuli Airy a Pertner.
Zvážte najjednoduchší prípad: nechajte lúč paralelných slnečných lúčov dopadať na kvapku v tvare gule (obr. 29). Lúč dopadajúci na povrch kvapky v bode A sa v nej láme podľa zákona lomu: n 1 sin a \u003d n 2 sin β, kde n 1 \u003d 1, n 2 ≈ 1,33 - indexy lomu vzduchu a vody, a - uhol dopadu, β je uhol lomu svetla.
Vo vnútri kvapky sa lúč pohybuje po priamke AB. V bode B sa lúč čiastočne láme a čiastočne odráža. Všimnite si, že čím menší je uhol dopadu v bode B, a teda v bode A, tým nižšia je intenzita odrazeného lúča a tým väčšia je intenzita lomeného lúča.
Lúč AB po odraze v bode B prechádza pod uhlom β 1 "= β 1 dopadá na bod C, kde dochádza aj k čiastočnému odrazu a čiastočnému lomu svetla. Lomený lúč opúšťa kvapku pod uhlom y2 a odrazený lúč môže ísť ďalej do bodu D a pod.Takže lúč svetla v kvapke podlieha viacnásobnému odrazu a lomu.Pri každom odraze určitá časť svetelných lúčov zhasne a ich intenzita vo vnútri kvapky klesá.Najintenzívnejší z lúčov vychádzajúci do vzduchu je lúč, ktorý vyšiel z kvapky v bode B. Je však ťažké ho pozorovať, keďže sa stráca na pozadí jasného priameho slnečného svetla... Lúče lámané v bode C spolu vytvárajú tzv. primárna dúha na pozadí tmavého mraku a lúče sa lámali v bode D
dať sekundárnu dúhu, ktorá, ako vyplýva z toho, čo bolo povedané, je menej intenzívna ako primárna.
Pre prípad K=1 dostaneme Θ = 2 (59°37" - 40°26") + 1 = 137° 30".
Preto je pozorovací uhol dúhy prvého rádu:
φ 1 \u003d 180 ° - 137 ° 30 "= 42 ° 30"
Pre lúč DE" dávajúci dúhu druhého rádu, t.j. v prípade K = 2, máme:
Θ = 2 (59°37" - 40°26") + 2 = 236°38".
Pozorovací uhol dúhy druhého rádu φ 2 = 180° - 234°38" = - 56°38".
Z toho vyplýva (je to vidieť aj z obrázku), že v posudzovanom prípade nie je zo zeme viditeľná dúha druhého rádu. Aby bolo viditeľné, musí svetlo vstúpiť do kvapky zospodu (obr. 30, b).
Pri úvahách o vzniku dúhy treba brať do úvahy ešte jeden jav - nerovnaký lom svetelných vĺn rôznej dĺžky, teda svetelných lúčov rôznych farieb. Tento jav sa nazýva disperzia. V dôsledku disperzie sú uhly lomu ϒ a uhly vychýlenia lúčov Θ v kvapke rozdielne pre lúče rôznych farieb. Priebeh troch lúčov - červeného, zeleného a fialového - je schematicky znázornený na obrázku 30, a pre oblúk prvého rádu a na obrázku 30, b pre oblúk druhého rádu.
Z obrázkov je zrejmé, že poradie farieb v týchto oblúkoch je opačné.
Najčastejšie vidíme jednu dúhu. Nie sú nezvyčajné prípady, keď sa na oblohe objavia súčasne dva dúhové pruhy umiestnené nad sebou; pozorujú však pomerne zriedkavo a ešte väčší počet dúhových nebeských oblúkov - tri, štyri a dokonca päť súčasne. Tento zaujímavý úkaz spozorovali Leningraderi 24. septembra 1948, keď sa medzi mrakmi nad Nevou popoludní objavili štyri dúhy. Ukazuje sa, že dúha sa môže vyskytnúť nielen z priameho slnečného žiarenia; často sa objavuje v odrazených lúčoch slnka. Vidno to na pobreží morských zátok, veľkých riek a jazier. Tri alebo štyri takéto dúhy - obyčajné a odrazené - niekedy vytvárajú krásny obraz. Keďže lúče Slnka odrazené od vodnej hladiny idú zdola nahor, dúha vytvorená v týchto lúčoch môže niekedy vyzerať úplne nezvyčajne.
Nemali by ste si myslieť, že dúhu možno pozorovať iba počas dňa. Stáva sa to v noci, vždy však slabé. Takúto dúhu môžete vidieť po nočnom daždi, keď spoza mrakov vykukne mesiac.
Určité zdanie dúhy možno získať v nasledujúcom experimente. Vezmite fľašu s vodou, osvetlite ju slnečným svetlom alebo lampou cez dieru v bielej tabuli. Potom bude na doske jasne viditeľná dúha (obr. 31, a) a uhol divergencie lúčov v porovnaní s počiatočným smerom bude asi 41-42 ° (obr. 31.6). V prirodzených podmienkach nie je žiadna obrazovka, obraz sa objaví na sietnici oka a oko premieta tento obraz na oblaky.
Ak sa dúha objaví večer pred západom slnka, potom je pozorovaná červená dúha. Posledných päť či desať minút pred západom slnka všetky farby dúhy okrem červenej zmiznú, stáva sa veľmi jasnou a viditeľnou aj desať minút po západe slnka.
Krásny pohľad je dúha na rose.
Dá sa pozorovať pri východe slnka na tráve pokrytej rosou. Táto dúha má tvar hyperboly.
svätožiary
Pri pohľade na dúhu na lúke si mimovoľne všimnete úžasnú nezafarbenú svätožiaru svetla - svätožiaru obklopujúcu tieň vašej hlavy. Nejde o optickú ilúziu ani o jav kontrastu. Keď tieň padne na cestu, svätožiara zmizne. Aké je vysvetlenie tohto zaujímavého javu? Kvapky rosy tu určite zohrávajú dôležitú úlohu, pretože keď zmizne rosa, zmizne aj jav.
Ak chcete zistiť príčinu tohto javu, vykonajte nasledujúci experiment. Vezmite guľovú banku naplnenú vodou a vystavte ju slnečnému žiareniu. Nech predstavuje kvapku. Za banku blízko nej položte list papiera, ktorý bude pôsobiť ako tráva. Pozerajte sa na banku pod malým uhlom vzhľadom na smer dopadajúcich lúčov. Uvidíte ho jasne osvetlený lúčmi odrážajúcimi sa od papiera. Tieto lúče smerujú takmer presne k lúčom Slnka dopadajúcim na banku. Dajte oči trochu nabok a jasné osvetlenie banky už nebude viditeľné.
Tu nemáme do činenia s rozptýleným, ale s nasmerovaným lúčom svetla vychádzajúcim z jasného bodu na papieri. Žiarovka funguje ako šošovka, ktorá smeruje svetlo k nám.
Lúč paralelných slnečných lúčov po ohybe v banke dáva na papieri viac-menej zaostrený obraz Slnka vo forme svetlej škvrny. Na druhej strane, pomerne veľa svetla vyžarovaného škvrnou je zachytené žiarovkou a po lomu v nej smeruje späť k Slnku, vrátane našich očí, keďže stojíme chrbtom k Slnku. Optické nedostatky našej šošovky - banky poskytujú určitý rozptýlený svetelný tok, ale hlavný prúd svetla vychádzajúci z jasného bodu na papieri smeruje k Slnku. Prečo však svetlo odrazené od stebiel trávy nie je zelené?
V skutočnosti má mierne zelenkastý odtieň, ale je väčšinou biely, podobne ako svetlo odrážané smerovo od hladkých lakovaných povrchov, ako sú odrazy od zelenej alebo žltej tabule alebo farebného skla.
Kvapky rosy však nie sú vždy guľovité. Môžu byť skreslené. Potom niektoré z nich nasmerujú svetlo do strany, ale to prechádza očami. Iné kvapky, ako je napríklad znázornené na obrázku 33, majú taký tvar, že svetlo dopadajúce na ne po jednom alebo dvoch odrazoch smeruje späť k Slnku a vstupuje do očí pozorovateľa stojaceho chrbtom k nemu.
Na záver treba poznamenať ešte jedno vtipné vysvetlenie tohto javu: svetlo smerovo odrážajú len tie listy trávy, na ktoré dopadá priame svetlo Slnka, teda tie, ktoré nie sú zakryté inými listami zo strany Slnka. Ak vezmeme do úvahy, že listy väčšiny rastlín vždy otáčajú svoju rovinu smerom k Slnku, potom je zrejmé, že takýchto reflexných listov bude pomerne veľa (obr. 33, e). Preto možno svätožiary pozorovať aj v neprítomnosti rosy, na povrchu hladko pokosenej lúky alebo stlačeného poľa.
