Физическая викторина. Оптика. Необыкновенные оптические явления в атмосфере
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1. Радуга.
Оставить в конденсоре проекционного фонаря одну линзу (вторую линзу и объектив снять) и получить таким образом почти параллельный пучок света. На пути этого пучка поставить колбу с дистиллированной водой, загородив ее от зрителей небольшим экраном (рис.). Пучок вторичных лучей, идущих в виде конической поверхности от колбы в сторону фонаря, образует на экране радужное кольцо. Объяснить явление. Начертить ход лучей в колбе.
2. Что вам известно о причинах возникновения следующих световых явлений в атмосфере: горных призраков, нижних и верхних миражей, световых столбов, гало и полярных сияний?
3*. По наблюдениям космонавтов, на большой высоте дневное небо выглядит совершенно черным и на нем видны звезды. Почему же с поверхности Земли оно кажется нам голубым?
Ответы
1. Пучок лучей, вошедший в воду, претерпевает в колбе полное внутреннее отражение и два преломления. Так как лучи разных цветов преломляются под разными углами, то белый свет разлагается на составные лучи (дисперсия) (см. рис.).
2.
1. Громадные призрачные человеческие фигуры, окруженные многоцветным кольцом, которое иногда наблюдают альпинисты в горах (рис. 1), казались прежде суеверным людям выходцами из неземного, потустороннего мира. Между тем это тени тех людей, которые находятся на вершине горы. Они возникают в том случае, если с одной стороны от альпинистов находится освещающее их Солнце, а с другой — достаточно густые облака. Тогда на облаках, как на экране, появляются огромные тени. Цветные круги около теней возникают из-за разложения солнечных лучей в мельчайших кристалликах льда и капельках воды, из которых состоят облака.
2. Перевернутое изображение предметов (нижний мираж, рис. 2) появляется обычно в жаркий безветренный день, когда слои воздуха, расположенного ближе к почве, нагреваются больше, чем расположенные выше слои, и поэтому обладают меньшей плотностью. В этом случае идущие от предметов лучи света, попадая из верхних, более плотных слоев в нижние, будут падать на каждый последующий слой все более и более полого. Достигнув, наконец, некоторого слоя, под углом больше предельного, они испытывают полное внутреннее отражение, идут снизу вверх и попадают в глаз наблюдателя. Последний увидит по направлению пунктирной линии (рис. 2) перевернутое изображение предмета, а также сам предмет, посылающий в глаз прямые лучи света. Голубое небо, расположенное впереди наблюдателя, отражается также словно от зеркала, создавая иллюзию голубоватой водной поверхности.
3. Верхний мираж (рис. 3) чаще наблюдается зимой, когда снежная или ледяная поверхность способствует сильному охлаждению нижних слоев воздуха, а верхние слои, не столь сильно охлаждаемые снегом или льдом, могут оказаться более нагретыми (и менее плотными), чем нижние. Поэтому верхние миражи могут наблюдаться в полярных странах даже в летнее время года: льды охлаждают прилегающие к ним слои воздуха, а незаходящее Солнце нагревает воздух, расположенный над ними. Причина образования верхнего и нижнего миража одна и та же.
4. Светящийся круг (гало) вокруг Солнца или Луны возникает в результате преломления света в шестигранных ледяных кристалликах, образующих полупрозрачную пелену облаков, застилающих светило. Кристаллы рассеивают лучи неравномерно; наибольшей интенсивностью обладают лучи, отклоненные кристаллом на 22° от начального направления (рис. 4). Когда такой луч попадает в глаз наблюдателя, последний видит светило смещенным на 22° от истинного положения. При непрерывном движении кристаллов облака огромное их число оказывается в благоприятном положении относительно глаза. Поэтому наблюдатель видит около светила круг.
5. Ледяные шестигранные кристаллики плавают иногда в воздухе вертикально. Лучи Солнца, отразившись от боковых граней таких кристаллов, попадают к нам в глаза. Но наши глаза не могут обнаружить искривления световых лучей, поэтому мы видим изображение Солнца не там, где оно находится, а на прямой линии, идущей от глаз. Эти изображения, сливаясь, образуют круг, параллельный горизонту.
6. В атмосфере при определенной температуре и влажности образуется иногда полупрозрачная пелена, состоящая из миллионов ледяных кристаллических пластинок, которые, совершая колебания, медленно опускаются на землю. Многие из этих пластинок занимают такое положение, что солнечный луч, отразившись от них, попадает в глаз наблюдателя (рис. 5). Совокупное действие этих лучей производит на глаз впечатление светового столба, расположенного над Солнцем или под Солнцем.
7. Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах северного и южного полушарий Земли на высоте от 100 до 300 км и даже выше. Они отличаются чрезвычайным разнообразием форм и переливами цветов и поражают своей красотой. Полярные сияния иногда имеют форму световой разноцветной занавеси или голубой дуги, возвышающейся над горизонтом, или веера, состоящего из световых лучей. В настоящее время доказано, что полярные сияния имеют электрическую природу и представляют собой свечение верхних разреженных слоев атмосферы под влиянием потока быстрых заряженных частиц — электронов и ионов, излучаемых Солнцем. Такие частицы, попадая в магнитное поле Земли, движутся вокруг силовых линий этого поля и устремляются к полюсам. На высоте 90—95 км в сравнительно плотных слоях атмосферы скорость ионов настолько замедляется, что они полностью поглощаются этими слоями.
3. Голубой цвет неба возникает вследствие рассеяния солнечных лучей на молекулах воздуха и мельчайших взвешенных частицах, если их размеры не превышают 0,0001 мм. При этом фиолетовых и синих лучей рассеивается по разным направлениям почти в десять раз больше, чем красных. Поэтому из любой точки небосвода, лежащей в стороне от Солнца, в глаз попадает гораздо больше голубых и сине-фиолетовых лучей, чем каких-либо других. Совместное действие этих лучей приводит к восприятию голубого цвета. Космонавтам небо кажется черным, так как на большой высоте плотность воздуха очень мала и он почти не рассеивает света. С Земли звезды не видны днем, потому что их свет слишком слаб по сравнению со светом, который рассеивает атмосфера.