Курсова робота
по фізиці на тему:
“Оптичні явища в природі”
План
Введення
а) Що такеоптика?
б) Види оптики
в) Роль оптики врозвитку сучасної фізики
Явища,пов'язані з віддзеркаленням світла
а) Предмет і йоговіддзеркалення
б) Залежністькоефіцієнта віддзеркалення від кута падіння світла
в) Захисністекла
д) Повневіддзеркалення світла
е) Алмази ісамоцвіти
Явища,пов'язані із заломленням світла
а) Міраж
б) Веселка
Висновок
Що таке оптика?
Перші уявлення стародавніх учених про світло були вельми наївні.Вважалося, що з очей виходять особливі тонкі щупальці і зорові враженнявиникають при обмацуванні ними предметів. Тоді під оптикою розуміли науку прозір. Саме такий точний сенс слова “оптика”. В середні віки оптика поступово знауки про зір перетворилася на науку про світло, цьому сприяв винахід лінз. Усучасний час оптика — це розділ фізики, в якому досліджується випусканнясвітла, його розповсюдження в різних середовищах і взаємодія з речовиною. Що ждо питань, пов'язаних із зором, пристрій і функціонування ока, то вонивиділилися в спеціальний науковий напрям, званий фізіологічною оптикою.
Отже, оптика – вчення про природу світла, світлових явищах івзаємодії світла з речовиною. І майже вся її історія – це історія пошукувідповіді: що таке світло?
Види оптики
При розгляді багатьох оптичних явищ можна користуватися уявленням просвітлові промені – геометричні лінії, уздовж яких розповсюджується світловаенергія. В цьому випадку говорять про геометричну (променевий) оптику.
Геометрична оптика широко використовується в світлотехніці і при розглядідій численних приладів і пристроїв – починаючи від лупи і окулярів і закінчуючискладними оптичними мікроскопами і телескопами.
На початку XIX століття розвернулися інтенсивні дослідження відкритихраніше явищ інтерференції, дифракції і поляризації світла. Ці явища незнаходили пояснення в рамках геометричної оптики, необхідно було розглядатисвітло у вигляді поперечних хвиль. Так виникла хвильова оптика. Спочаткувважали, що світло — це пружні хвилі в деякому середовищі (світовому ефірі),яке ніби то заповнює весь світовий простір.
У 1864 році англійський фізик Джеймс Максвелл створив електромагнітнутеорію світла, згідно якої хвилі світла – це електромагнітні хвилі звідповідним діапазоном довжин.
Дослідження, виконані на початку XX століття, показали, що для поясненнядеяких явищ, наприклад фотоефекту, необхідно представити світловий пучок увигляді потоку своєрідних частинок – світлових квантів (фотонів). Ще 200 роківтому Ісаак Ньютон дотримувався аналогічної точки зору на природу світла в своїй“теорії закінчення світла”. Тепер уявлення про світлові кванти вивчає квантоваоптика.
Роль оптики в розвитку сучасної фізики.
Роль оптики в розвитку сучасної фізики велика. Виникнення двох найбільшважливих і революційних теорій двадцятого сторіччя (квантової механіки і теоріївідносності) в істотній мірі пов'язане з оптичними дослідженнями. Оптичніметоди аналізу речовини на молекулярному рівні породили спеціальний науковийнапрям – молекулярну оптику. До неї тісно примикає оптична спектроскопія,вживана в сучасному матеріалознавстві, при дослідженнях плазми, в астрофізиці.Існують також електронна і нейтронна оптики; створені електронний мікроскоп інейтронне дзеркало. Розроблені оптичні моделі атомних ядер.
Сприяючи розвитку різних напрямів сучасної фізики, оптика в той же час ісама переживає сьогодні період бурхливого розвитку. Основний поштовх цьомурозвитку дало винахід інтенсивних джерел когерентного світла – лазерів. Врезультаті хвильова оптика піднялася на вищий ступінь, відповідний когерентнійоптиці. Важко навіть перерахувати всі новітні науково-технічні напрями, щорозвиваються завдяки появі лазерів. Серед них нелінійна оптика, голографія, радіо-оптика,адаптивна оптика та інші. Радіо-оптика виникла на стику радіотехніки і оптики;вона досліджує оптичні методи передачі і обробки інформації. Ці методи зазвичайпоєднують з традиційними електронними методами; в результаті склавсянауково-технічний напрям – оптоелектронікою. Передача світлових сигналів подіелектричних волокнах складає предмет волоконної оптики. Використовуючидосягнення нелінійної оптики, можна виправляти хвильовий фронт світловогопучка, що спотворюється при розповсюдженні світла в тому або іншому середовищі,наприклад в атмосфері або у воді. В результаті виникла і інтенсивнорозвивається так звана адоптивна оптика. До неї тісно примикає фото-енергетика,що зароджується на наших очах, займається, зокрема, питаннями ефективноїпередачі світловій енергії по променю світла. Сучасна лазерна техніка дозволяєотримувати світлові імпульси тривалістю всього лише в секунди. Такі імпульсивиявляються унікальним “інструментом” для дослідження цілого ряду процесів вречовині, які швидко протікають і зокрема в біологічних структурах. Виникло і розвиваєтьсяспеціальний напрям, до якого тісно примикає фото-біологія. Можна безперебільшення сказати, що широке практичне використання досягнень сучасноїоптики – обов'язкова умова науково-технічного прогресу. Оптика відкрилалюдському розуму дорогу в мікросвіт, вона ж дозволила йому проникнути втаємниці зоряних світів. Оптика охоплює всі сторони в нашій практичнійдіяльності.
Явища, пов'язані з віддзеркаленням світла.
Предмет і його віддзеркалення
Те, що відображений в стоячій воді пейзаж не відрізняється від реального,а тільки перевернений “вверх ногами” далеко не так.
Якщо людина подивиться пізно увечері, як відбиваються у воді світильникиабо як відбивається берег, що спускається до води, то віддзеркалення здастьсяйому укороченим і зовсім “зникне”, якщо спостерігач знаходиться високо надповерхнею води. Також ніколи не можна побачити віддзеркалення верхівки каменя,частина якого занурена у воду.
Пейзаж бачиться спостерігачеві таким, неначебто на нього дивилися зкрапки, що знаходиться на стільки глибше за поверхню води, наскільки окоспостерігача знаходиться вищим за поверхню. Різниця між пейзажем і його зображеннямзменшується у міру наближення ока до поверхні води, а так само у міру видаленняоб'єкту.
Часто людям здається, що віддзеркалення в ставку кущів і дереввідрізняється більшою яскравістю фарб і насиченістю тонів. Цю особливість такожможна відмітити, спостерігаючи віддзеркалення предметів в дзеркалі. Тут великуроль грає психологічне сприйняття, чим фізична сторона явища. Рама дзеркала,береги ставка обмежують невелику ділянку пейзажу, захищаючи бічний зір людинивід надмірного розсіяного світла, що поступає зі всього небозводу і засліплюєспостерігача, тобто він дивиться на невелику ділянку пейзажу як би через темнувузьку трубу. Зменшення яскравості відображеного світла в порівнянні з прямимполегшує людям спостереження неба, хмар і інших світлих предметів, які припрямому спостереженні виявляється дуже яскравим для ока.
Залежність коефіцієнта віддзеркалення від кута падіннясвітла.
На межі двох прозорих середовищ світло частково відбивається, частковопроходить в інше середовище і заломлюється, частково поглинається середовищем.Відношення відображеної енергії до падаючої називають коефіцієнтомвіддзеркалення. Відношення енергії світла, що пройшло через речовину,до енергії падаючого світла називають коефіцієнтом пропускання.
Коефіцієнти віддзеркалення і пропускання залежать від оптичнихвластивостей, що граничать між собою середовищ і кута падіння світла. Так, якщосвітло падає на скляну пластинку перпендикулярно (кут падіння б=0), товідбивається всього лише 5% світловій енергії, а 95% проходить через межурозділу. При збільшенні кута падіння частка відображеної енергії зростає. Привугіллі б=90 — вона рівна одиниці.
Залежність інтенсивності відображеного світла, що проходить через склянупластинку, можна прослідкувати, розташовуючи пластинку під різними кутами досвітлових променів і оцінюючи інтенсивність на око.
Цікаво також оцінити на око інтенсивність світла, відображеного відповерхні водоймища, залежно від кута падіння, поспостерігати віддзеркаленнясонячних променів від вікон будинку при різних кутах падіння вдень, при заході,сході світила.
Захисні стекла
Звичайні шибки частково пропускають теплові промені. Це добре длявикористання їх в північних районах, а також для парників. На півдні жприміщення настільки перегріваються, що працювати в них важко. Захист від Сонцязводиться або до затемнення будівлі деревами, або до вибору сприятливоїорієнтації будівлі при перебудові. І те і інше іноді буває скрутним і не завждиздійснимим.
Для того, щоб скло не пропускало теплові промені, його покривають тонкимипрозорими плівками оксидів металів. Така плівка не пропускає більше половинитеплових променів, а покриття містять окисел заліза, повністю відображаютьультрафіолетові промені і 35-55% теплових.
Розчини плівко-створюючих солей наносять з пульверизатора на гарячуповерхню скла під час його теплової обробки або формування. При високійтемпературі солі переходять в окисли, міцно пов'язані з поверхнею стекла.
Так само виготовляють скло для світлонепроникних окулярів.
Повне внутрішнє віддзеркалення світла
Красиве видовище є фонтан, у якого струмені, що викидаються, освітлюютьзсередини. Це можна зобразити в звичайних умовах, виконавши наступний досвід. Увисокій консервній банці на висоті 5 см від дна треба просвердлити круглийотвір (А) діаметром 5-6 мм. Електричну лампочку з патроном треба акуратнообернути целофановим папером і розташувати її напроти отвору. У банку требаналити води. Відкривши отвір А, отримаємо струмінь, який буде освітленийзсередини. У темній кімнаті вона яскраво світиться і виглядає дуже ефектно.Струменю можна додати будь-яке забарвлення, помістивши на шляху променів світлакольорове скло Б. Якщо на шляху струменя підставити палець, то водарозбризкується і ці крапельки яскраво світяться.
Пояснення цього явища задоволене просте. Промінь світла проходить уздовжструменя води і потрапляє на зігнуту поверхню під кутом, великим граничного,випробовує повне внутрішнє віддзеркалення, а потім знову потрапляє напротилежну сторону струменя під кутом знову більше граничного. Так промінь проходитьуздовж струменя згинаючись разом з нею.
Але якби світло повністю відбивалося усередині струменя, то він не був бивидний ззовні. Частина світу розсівається водою, бульбашками повітря і різнимидомішками, наявними в ній, а також унаслідок нерівностей поверхні струменя,тому вона видно зовні.
Алмази і самоцвіти
Секрет чарівної гри світла в алмазах, полягає в тому, що цей камінь маєвисокий показник заломлення (n=2,4173) і внаслідок цього малий кут повноговнутрішнього віддзеркалення (б=24?30) і володіє більшою дисперсією, щовикликає розкладання білого світу на прості кольори.
Крім того, гра світла в алмазі залежить від правильності йогоограновування. Грані алмазу багато разів відображають світло усерединікристала. Унаслідок великої прозорості алмазів високого класу світло усерединіних майже не втрачає своєї енергії, а тільки розкладається на прості кольори,промені яких потім вириваються назовні в різних, найнесподіваніших напрямах.При повороті каменя міняються кольори, витікаючи з каменя, і здається, що самвін є джерелом багатьох яскравих різноколірних променів.
Зустрічаються алмази, забарвлені в червоний, голубуватий і бузковийкольори. Сяйво алмазу залежить від його ограновування. Якщо дивитися крізьдобре огранований водяний-прозорий діамант на світло, то камінь здаєтьсяабсолютно непрозорим, а деякі його грані виглядають просто чорними. Цевідбувається тому, що світло, зазнаючи повне внутрішнє віддзеркалення, виходитьу зворотному напрямі або в сторони.
Якщо дивитися на верхнє ограновування з боку світла, вона сяє багатьма колорами,а місцями блищить. Яскраве блискання верхніх граней діаманта називаютьдіамантовим блиском. Нижня сторона діаманта зовні здається як би посрібленою івідливає металевим блиском.
Найбільш прозорі і крупні алмази служать прикрасою. Дрібні алмазизнаходять широке застосування в техніці як ріжучий або шліфувальний інструментдля металообробних верстатів. Алмазами оснащують головки бурильного інструментудля створення ним свердловин в твердих породах. Таке застосування алмазуможливе із-за великої твердості. Інші коштовні камені в більшості випадків єкристалами окислу алюмінію з домішкою оксидів офарблюючи елементів – хрому(рубін), міді (смарагд), марганцю (аметист). Вони також відрізняютьсятвердістю, міцністю і володіють красивим забарвленням і “грою світла”. В данийчас уміють отримувати штучним шляхом крупні кристали окислу алюмінію іофарблювати їх в бажаний колір.
Явища дисперсії світла пояснюють різноманіттям фарб природи. Цілийкомплекс оптичних експериментів з призмами в XVII столітті провів англійськийвчений Ісаак Ньютон. Ці експерименти показали, що біле світло не є основним,його треба розглядати як складений (“неоднорідний”); основними ж є різнікольори (“однорідні” промені, або “монохроматичні” промені). Розкладання білогосвітла на різні кольори відбувається з тієї причини, що кожному кольорувідповідає свій ступінь заломлення. Ці виводи, зроблені Ньютоном, узгоджуютьсяз сучасними науковими уявленнями.
Разом з дисперсією коефіцієнта заломлення спостерігається дисперсіякоефіцієнтів поглинання, пропускання і віддзеркалення світла. Цим пояснюютьсярізноманітні ефекти при освітленні тіл. Наприклад, якщо є якесь прозоре длясвітла тіло, у якого для червоного світла коефіцієнт пропускання великий, акоефіцієнт віддзеркалення малий, для зеленого ж світла навпаки: коефіцієнтпропускання малий, а коефіцієнт віддзеркалення великий, тоді в світлі, щопроходить, тіло здаватиметься червоним, а у відображеному світлі – зеленим.Такими властивостями володіє, наприклад, хлорофіл – зелена речовина, щоміститься в листі. Розчин хлорофілу в спирту при розгляді на просвітвиявляється червоним. У відображеному світлі цей же розчин виглядає зеленим.
Якщо у якогось тіла коефіцієнт поглинання великий, а коефіцієнтипропускання і віддзеркалення малі, то таке тіло здаватиметься чорним інепрозорим (наприклад, сажа). Дуже біле, непрозоре тіло має коефіцієнтвіддзеркалення близький до одиниці для всіх довжин хвиль, і дуже малікоефіцієнти пропускання і поглинання. Цілком прозоре для світла тіло (скло) маємалі коефіцієнти віддзеркалення і поглинання і близький до одиниці для всіхдовжин хвиль коефіцієнт пропускання. У забарвленого скла для деяких довжинхвиль коефіцієнти пропускання і віддзеркалення практично рівні нулю і,відповідно, значення коефіцієнта поглинання для цих же довжин хвиль близько доодиниці.
Явища, пов'язані із заломленням світла
Міраж
Деякі види міражів. З більшого різноманіття міражів виділимо декілька видів:“озерні” міражі, звані також нижніми міражами, верхні міражі, подвійні іпотрійні міражі, міражі наддалекого бачення.
Нижні (“озерні”) міражі виникають над сильно нагрітою поверхнею. Верхніміражі виникають, навпаки, над сильно охолодженою поверхнею, наприклад надхолодною водою. Якщо нижні міражі спостерігають, як правило, в пустелях істепах, то верхні спостерігають в північних широтах.
Верхні міражі відрізняються різноманітністю. У одних випадках вони даютьпряме зображення, в інших випадках в повітрі з'являється переверненезображення. Міражі можуть бути подвійними, коли спостерігаються два зображення,просте і перевернене. Ці зображення можуть бути розділені смугою повітря (однеможе опинитися над лінією горизонту, інше під нею), але можуть безпосередньозмикатися один з одним. Іноді виникає ще одне - третє зображення.
Особливо дивовижні міражі наддалекого бачення. К. Фламмарион в своїйкнизі “Атмосфера” описує приклад подібного міражу: “Спираючись на свідоцтвадекількох осіб, я можу повідомити про міраж, який бачили в місті Верв’ю(Бельгія) в червні 1815 р. Одного разу вранці жителі міста побачили в небівійсько, і так ясно, що можна було розрізнити костюми артилеристів і навіть,наприклад, гармату із зламаним колесом, яке ось-ось відвалиться. Це було ранокбитви при Ватерлоо!” Описаний міраж зображений у вигляді кольорової аквареліодним з очевидців. Відстань від Ватерлоо до Верв’ю по прямій лінії складаєбільш 100км. Відомі випадки, коли подібні міражі спостерігалися і на великихвідстанях – до 1000км. “Летючого голландця” слід віднести саме до такихміражів.
Пояснення нижнього (“озерного”) міражу. Якщо повітря у самої поверхні землісильно нагріте і, отже, його щільність відносно мала, то показник заломлення уповерхні буде менший, ніж у вищих повітряних шарах. Зміна показника заломленняповітря n з висотою h поблизу земної поверхні. Відповідно довстановленого правила, світлові промені поблизу поверхні землі в даному випадкузгинатимуться так, щоб їх траєкторія була обернена опуклістю вниз. Світловийпромінь від деякої ділянки блакитного неба потрапить в око спостерігача,випробувавши вказане викривлення. А це означає, що спостерігач побачитьвідповідну ділянку небозводу не над лінією горизонту, а нижче за неї. Йомуздаватиметься, що він бачить воду, хоча насправді перед ним зображенняблакитного неба. Якщо уявити собі, що у лінії горизонту знаходяться горби,пальми або інші об'єкти, то спостерігач побачить і їх переверненими, завдякивідміченому викривленню променів, і сприйме як віддзеркалення відповіднихоб'єктів в неіснуючій воді. Так виникає ілюзія, що є “озерним” міражем.
Прості верхні міражі. Можна припустити, що повітря у самої поверхні землі або водине нагріте, а, навпаки, помітно охолоджений в порівнянні з вищими повітрянимишарами. Світлові промені в даному випадку згинаються так, що їх траєкторіяобернена опуклістю вгору. Тому тепер спостерігач може бачити об'єкти, прихованівід нього за горизонтом, причому він бачитиме їх такими, що вгорі як би висятьнад лінією горизонту. Тому такі міражі називають верхніми.
Верхній міраж може давати як пряме, так і перевернене зображення.Показане на малюнку пряме зображення виникає, коли показник заломлення повітрязменшується з висотою відносно поволі. При швидкому зменшенні показниказаломлення утворюється перевернене зображення. У цьому можна переконається,розглянувши гіпотетичний випадок – показник заломлення на деякій висоті зменшується стрибком. Промені об'єкту, перш ніж потрапити до спостерігача випробовуютьповне внутрішнє віддзеркалення від межі, нижче за яку в даному випадкузнаходиться щільніше повітря. Видно, що верхній міраж дає переверненезображення об'єкту. Насправді немає стрибкоподібної межі між шарами повітря,перехід здійснюється поступово. Але якщо він здійснюється достатньо різко, товерхній міраж дасть перевернене зображення.
Подвійні і потрійні міражі. Якщо показник заломлення повітря змінюється спочаткушвидко, а потім поволі, то в цьому випадку промені скривлюватимуться швидше. Врезультаті виникають два зображення.
Щоб зрозуміти як з'являється потрійний міраж, потрібно представити трипослідовний повітряні області: перша (у самої поверхні), де показник заломленнязменшується з висотою поволі, наступна, де показник заломлення зменшуєтьсяшвидко, і третя область, де показник заломлення знову зменшується поволі…Промені 1 формують нижнє зображення об'єкту, вони розповсюджуються в межахповітряної області I. Промені 2 формують перевернене зображення; потрапляю вповітряну область II, ці промені випробовують сильне викривлення. Промені 3формують верхнє пряме зображення об'єкту.
Міраж наддалекого бачення. Природа цих міражів вивчена найменше. Ясно, щоатмосфера повинна бути прозорою, вільною від водяної пари і забруднень. Алецього мало. Повинен утворитися стійкий шар охолодженого повітря на деякійвисоті над поверхнею землі. Нижче і вище за цей шар повітря повинне бутитеплішим. Світловий промінь, що потрапив всередину щільного холодного шаруповітря, як би “замкнутим” усередині нього і розповсюджується в нім. Траєкторіявесь час обернена опуклістю убік менш щільних областей повітря.
Виникнення наддалеких міражів можна пояснити розповсюдженням променівусередині “світловодів”, які іноді створює природа.
Веселка
Веселка – це красиве небесне явище – завжди привертала увагу людини. Уколишні часи, коли люди ще мало знали про навколишній світ, веселку вважали“небесним знаменням”. Так, стародавні греки думали, що веселка — це усмішкабогині Іріди.
Веселка спостерігається осторонь, протилежною Сонцю, на тлі дощових хмарабо дощу. Різноколірна дуга зазвичай знаходиться від спостерігача на відстані1-2 км., а іноді її можна спостерігати на відстані 2-3 м на тлі водянихкрапель, утворених фонтанами або розпилювачами води.
Центр веселки знаходиться на продовженні прямої, що сполучає Сонце і окоспостерігача, – на проти сонячній лінії. Кут між напрямом на головну веселку і протисонячну лінією складає 41-42е.
У момент сходу сонця проти сонячна крапка знаходиться на лінії горизонтуі веселка має вид півкола. У міру підняття Сонця проти сонячна крапкаопускається під горизонт і розмір веселки зменшується. Вона є лише частиноюкола.
Часто спостерігається побічна веселка, концентрична з першою, з кутовимрадіусом біля 52е і зворотного розташування квітів.
При висоті Сонця 41е головна веселка перестає бути видимою і надгоризонтом виступає лише частина побічної веселки, а при висоті Сонця більш 52ене видно і побічна веселка. Тому в середніх екваторіальних широтах це явищеприроди ніколи не спостерігається.
У веселки розрізняють сім основних кольорів, що плавно переходять один віншій.
Вид дуги, яскравість квітів, ширина смуг залежать від розмірів крапельокводи і їх кількості. Великі краплі створюють вужчу веселку, з кольорами, щорізко виділяються, малі – дугу розпливчату, бляклу і навіть білу. От чомуяскрава вузька веселка видно влітку після грозового дощу, під час якого падаютькрупні краплі.
Вперше теорія веселки була дана в 1637 році Рене Декартом. Він поясниввеселку, як явище, пов'язане з віддзеркаленням і заломленням світла в дощовихкраплях.
Утворення квітів і їх послідовність були пояснені пізніше, після розгадкискладної природи білого світу і його дисперсії в середовищі. Дифракційна теоріявеселки розроблена Ері і Партнером.
Можна розглянути простий випадок: хай на краплі, що мають форму кулі,падає пучок паралельних сонячних променів. Промінь, падаючий на поверхню краплі,заломлюється усередині неї за законом заломлення:
n sin б=n sin в,
де n=1, n_1,33 – відповіднопоказники заломлення повітря і води, би – кут падіння, а в – кут заломленнясвітла.
Усередині краплі йде по прямий промінь АВ. У крапці У відбуваєтьсячасткове заломлення світивши і часткове його віддзеркалення. Треба відмітити,що, чим менше кут падіння в крапці В, а отже і в крапці А, тим меншеінтенсивність відображеного променя і тим більше інтенсивність заломленого променя.
Промінь АВ після віддзеркалення в крапці У відбувається під кутом, детакож відбувається часткове віддзеркалення і часткове заломлення світла.Заломлений промінь виходить з краплі під кутом г, а відображений може пройтидалі, в точку D і т.д. Таким чином, промінь світла в краплі зазнає багатократневіддзеркалення і заломлення. При кожному віддзеркаленні деяка частина променівсвітла виходить назовні і інтенсивність їх усередині краплі зменшується.Найбільш інтенсивним з променів, що виходять в повітря, є промінь, що вийшов зкраплі в точці В. Але спостерігати його важко, оскільки він втрачається на тліяскравих прямих сонячних променів. Промені ж, заломлені в крапці З, створюють всукупності на тлі темної хмари первинну веселку, а промені, що випробовуютьзаломлення в точці D дають вторинну веселку, яка менш інтенсивна, чим первинна.
При розгляді утворення веселки потрібно врахувати ще одне явище –неоднакове заломлення хвиль світла різної довжини, тобто світлових променіврізного кольору. Це явище носить назва дисперсії. Унаслідокдисперсії кути заломлення г і кута відхилення променів І в краплі різні дляпроменів різного забарвлення.
Найчастіше ми спостерігаємо одну веселку. Нерідкі випадки, коли нанебозводі з'являються одночасно дві веселкові смуги, розташовані одна за одною;спостерігають і ще більше число небесних дуг – три, чотири і навіть п'ятьодночасно. Виявляється, що веселка може виникати не тільки від прямих променів;нерідко вона з'являється і у відображених променях Сонця. Це можна бачити наберезі морських заток, великих річок і озер. Три-чотири веселки – звичайні івідображені – створюють часом красиву картину. Оскільки відображені від водноїповерхні промені Сонця йдуть від низу до верху, то веселка утворюється впроменях, може виглядати іноді абсолютно незвично.
Не слід думати, що веселку можна спостерігати тільки вдень. Вона буває івночі, правда, завжди слабка. Побачити таку веселку можна після нічного дощу,коли із-за хмар вигляне Місяць.
Деякій подібність веселки можна отримати на такому досвіді: Потрібноколбу, наповнену водою, освітити сонячних світлом або лампою через отвір вбілій дошці. Тоді на дошці виразно стане видна веселка, причому кут розбіжностіпроменів в порівнянні з початковим напрямом складе біля 41-42°. У природних умовахекрану немає, зображення виникає на сітківці ока, і око проектує це зображенняна хмари.
Якщо веселка з'являється увечері перед заходом Сонця, то спостерігаютьчервону веселку. У останніх п'ять або десять хвилин перед заходом всі барвивеселки, окрім червоного, зникають, вона стає дуже яскравою і видимою навітьопісля десять хвилин після заходу.
Красиве видовище є веселка на росі. Її можна спостерігати при сході Сонцяна траві, покритою росою. Ця веселка має форму гіперболи.
Полярні сяйва
Одним з красивих оптичних явищ природи є полярне сяйво.
В більшості випадків полярні сяйва мають зелений або синій-зеленийвідтінок з плямами, що зрідка з'являються, або облямівкою рожевого абочервоного кольору.
Полярні сяйва спостерігають в двох основних формах – у вигляді стрічок іу вигляді плям. Коли сяйво інтенсивне, воно набуває форми стрічок. Втрачаючиінтенсивність, воно перетворюється на плями. Проте багато стрічок зникають, невстигнувши розбитися на плями. Стрічки як би висять в темному просторі неба,нагадуючи гігантську завісу, що протягнулася зазвичай зі сходу на захід натисячі кілометрів. Висота цієї завіси складає декілька сотень кілометрів,товщина не перевищує декількох сотень метрів, причому вона така голуба іпрозора, що крізь неї видно зірки. Нижній край завіси досить різко і виразнообкреслений і часто підфарбований в червоний або рожевий колір, верхній, –поступово втрачається у висоті і це створює особливо ефектне враження глибинипростору.
Розрізняють чотири типи полярних сяйв:
Однорідна дуга – смуга, що світиться, має найбільш просту, спокійнуформу. Вона яскравіша знизу і поступово зникає догори на тлі свічення неба ;
Промениста дуга – стрічка стає декілька активнішою і рухливішою, вонаутворює дрібні складки і цівки;
Промениста смуга – із зростанням активності крупнішіскладки накладаються на дрібні;
При підвищенні активності складки або петлі розширюються до величезнихрозмірів, нижній край стрічки яскраво сяє рожевим свіченням. Коли активністьспадає, складки зникають і стрічка повертається до однорідної форми. Ценаводить на думку, що однорідна структура є основною формою полярного сяйва, аскладки пов'язані із зростанням активності.
Часто виникають сяйва іншого вигляду. Вони захоплюють весь полярний районі виявляються дуже інтенсивними. Відбуваються вони під час збільшення сонячноїактивності. Ці сяйва представляються у вигляді білувато-зеленої шапки. Такісяйва називають шквалами.
По яскравості сяйва розділяють на чотири класи, що відрізняються один відодного на один порядок (тобто в 10 разів). До першого класу відносяться сяйва,ледве помітні і приблизно рівні по яскравості Чумацькому Шляху, сяйво жчетвертого класу освітлюють Землю так яскраво, як повний Місяць.
Треба відзначити, що виникле сяйво розповсюджується на захід із швидкістю1 км/сек. Верхні шари атмосфери в області спалахів сяйв розігріваються іспрямовуються вгору, що позначилося на посиленому гальмуванні штучнихсупутників Землі, що проходять ці зони.
Під час сяйв в атмосфері Землі виникають вихрові електричні струми,захоплюючі великі області. Вони порушують додаткові нестійкі магнітні поля, такзвані магнітні бурі. Під час сяйв атмосфера випромінює рентгенівські промені,які, мабуть, є результатом гальмування електронів в атмосфері.
Інтенсивні спалахи сяйва часто супроводжуються звуками, що нагадують шум,тріск. Полярні сяйва викликають сильні зміни в іоносфері, що у свою чергувпливає на умови радіозв'язку. В більшості випадків радіозв'язок значнопогіршується. Виникають сильні перешкоди, а іноді повна втрата прийому.
Як виникають полярні сяйва. Земля є величезним магнітом, південний полюс якогознаходиться поблизу північного географічного полюса, а північний — поблизупівденного. Силові лінії магнітного поля Землі, звані геомагнітними лініями,виходять з області, прилеглої до північного магнітного полюса Землі, охоплюєземну кулю і входять в нього в області південного магнітного полюса, утворюючиграти навколо Землі.
Довго вважалося, що розташування магнітних силових ліній симетричне щодоземної осі. Тепер з'ясувалося, що так званий “сонячний вітер” – потік протоніві електронів, що випромінюються Сонцем, налітаю на геомагнітну оболонку Землі звисоти близько 20000 км., зволікає її назад, убік від Сонця, утворюючи у Землісвоєрідний магнітний “хвіст”.
Електрон або протон, Землі, що потрапили в магнітне поле, рухаються поспіралі, як би навиваючись на геомагнітну лінію. Електрони і протони, щопотрапили з сонячного вітру в магнітне поле Землі, розділяються на дві частини.Частина з них уздовж магнітних силових ліній відразу стікає в полярні областіЗемлі. Ці протони і електрони врешті-решт по геомагнітних лініях також стікаютьв область полюсів, де виникає їх збільшена концентрація. Протони і електронипроводять іонізацію і збудження атомів і молекул газів. Для цього вони мають достатньоенергії, оскільки протони прилітають на Землю з енергіями 10000-20000 (1= 1.610 Дж), а електрони з енергіями 10-20.
Збуджені атомів газів віддають назад отриману енергію у вигляді світла,на зразок того, як це відбувається в трубках з розрідженим газом припропусканні через них струмів.
Спектральне дослідження показує, що зелене і червоне свічення належитьзбудженим атомам кисню, інфрачервоне і фіолетове – молекулам азоту. Деякі лініївипромінювання кисню і азоту утворюються на висоті 110 км., а червоне свіченнякисню – на висоті 200-400 км. Іншим слабким джерелом червоного світла є атомиводню, атмосфери, що утворили у верхніх шарах, з протонів тих, що прилетіли зСонця. Захопивши електрон, такий протон перетворюється на збуджений атом водню івипромінює червоне світло.
Спалахи сяйв відбуваються зазвичай через день-два після спалахів наСонці. Це підтверджує зв'язок між цими явищами. Дослідження за допомогою ракетпоказало, що в місцях більшої інтенсивності сяйв є значніша іонізація газівелектронами.
Останнім часом учені встановили, що полярні сяйва інтенсивніші у берегівокеанів і морів.
Але наукове пояснення всіх явищ, пов'язаних з полярними сяйвами,зустрічає ряд труднощів. Наприклад, невідомий точно механізм прискореннячастинок до вказаних енергій, не цілком ясні їх траєкторії в навколоземномупросторі, не все сходиться кількісно в енергетичному балансі іонізації ізбудження частинок, не цілком ясний механізм утворення свічення різних видів,неясне походження звуків.
Висновок.
Практичне значення оптикиі її вплив на інші галузі знання виключно великі. Область явищ, що вивчаєтьсяфізичною оптикою, вельми обширна. Оптичні явища найтіснішим чином пов'язані зявищами, що вивчаються в інших розділах фізики, а оптичні методи дослідженнявідносяться до найбільш тонким і точним. Тому недивно, що оптиці впродовжтривалого часу належала провідна роль в дуже багатьох фундаментальнихдослідженнях і розвитку основних фізичних переконань. Досить сказати, щообидві основні фізичні теорії минулого сторіччя — теорія відносності і теоріяквантів — зародилися і в значній мірі розвинулися на грунті оптичнихдосліджень. Винахід лазерів відкрив нові щонайширші можливості не тільки воптиці, але і в її застосуваннях в різних галузях науки і техніки.