Физика в природе

Мгту «Мами»

Кафедра: «Физика» 
 

Реферат на тему:

«Физика в природе» 
 
 
 

Студент: Багаева С.А.

Группа: 3 МС-5

Преподаватель: Лаврова Т.С. 
 
 
 
 
 

Москва 2011

Физика  в природе.

Введение

Что такое оптика? 

         Первые представления древних  ученых о свете были весьма  наивны. Считалось, что из глаз  выходят особые тонкие щупальцы и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Тогда под оптикой понимали науку о зрении. Именно такой точный смысл слова «оптика». В средние века оптика постепенно из науки о зрении превратилась в науку о свете, этому способствовало изобретение линз и камеры-обскуры. В современное время оптика - это раздел физики, в котором исследуется испускание света, его распространение в различных средах и взаимодействие с веществом. Что же касается вопросов, связанных со зрением, устройство и функционирование глаза, то они выделились в специальное научное направление, называемое физиологической оптикой. 

      Явления, связанные с преломлением света

      Мираж

      Некоторые виды миражей. Из большего многообразие миражей выделим несколько видов: «озерные» миражи, называемые также нижними миражами, верхние миражи, двойные и тройные миражи, миражи сверхдальнего видения.

      Нижние («озерные») миражи возникают над  сильно нагретой поверхностью. Верхние  миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водой. Если нижние миражи наблюдают, как правило, в пустынях и степях, то верхние наблюдают  в северных широтах.

      Верхние миражи отличаются разнообразием. В  одних случаях они дают прямое изображение, в других случаях в  воздухе появляется перевернутое изображение. Миражи могут быть двойными, когда  наблюдаются два изображения, простое  и перевернутое. Эти изображения  могут быть разделены полосой  воздуха (одно может оказаться над  линией горизонта, другое под ней), но могут непосредственно смыкаться  друг с другом. Иногда возникает  еще одно -  третье изображение.

      Особенно  удивительны миражи сверхдальнего  видения. К. Фламмарион в своей книге «Атмосфера» описывает пример подобного миража: «Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить  про мираж, который видели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жители города увидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится… Это было утро сражения при Ватерлоо!»  Описанный мираж изображен в виде цветной акварели одним из очевидцев. Расстояние от Ватерлоо до Вервье по прямой линии составляет более 100км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались и на больших расстояниях – до 1000км. «Летучего голландца» следует отнести именно к таким миражам.

      Объяснение  нижнего («озерного») миража. Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях.

      В соответствии с установленным правилом, световые лучи вблизи поверхности земли  будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз. Пусть в точке A находится наблюдатель. Световой луч от некоторого участка голубого неба попадет в глаз наблюдателя, испытав указанное искривление. А это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба. Если представить себе, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель увидит и их перевернутыми, благодаря отмеченному искривлению лучей, и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой «озерный» мираж.

      Простые верхние миражи. Можно предположить, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями. Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху как бы висящими над линией горизонта. Поэтому такие миражи называют верхними.

      Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Прямое изображение возникает, когда показатель преломления  воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение. В этом можно убедится, рассмотрев гипотетический случай Лучи  объекта, прежде чем попасть к наблюдателю испытывают полное внутреннее отражение от границы ниже которой в данном случае находится более плотный воздух. Видно, что верхний мираж дает перевернутое изображение объекта. В действительности нет скачкообразной границы между слоями воздуха, переход совершается постепенно. Но если он совершается достаточно резко, то верхний мираж даст перевернутое изображение.

      Двойные и тройные миражи. Если показатель преломления воздуха изменяется сначала быстро, а затем медленно, то в этом случае лучи в области I будут искривляться быстрее, чем в области II. Световые лучи распространяющиеся в пределах воздушной области формируют перевернутое изображение объекта. Лучи, распространяющиеся в основном в пределах области II, искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.

      Чтобы понять как появляется тройной мираж, нужно представить три последовательный воздушные области: первая (у самой поверхности), где показатель преломления уменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломления уменьшается быстро, и третья область, где показатель преломления снова уменьшается медленно. Лучи 1 формируют нижнее изображение объекта, они распространяются в пределах воздушной области I. Лучи 2 формируют перевернутое изображение; попадаю в воздушную область II, эти лучи испытывают сильное искривление. Лучи 3 формируют верхнее прямое изображение объекта.

      Мираж сверхдальнего видения. Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть прозрачной, свободной от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым.  Световой луч, попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, как бы “запертым” внутри него и распространяется в нем как по своеобразному световоду. Траектория луча на рисунке 8 все время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областей воздуха.

      Возникновение сверхдальних миражей можно объяснить  распространением лучей внутри подобных «световодов», которые иногда создает природа.

                          Радуга

      Радуга – это красивое небесное явление – всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще мало знали об окружающем мире, радугу считали «небесным знамением».  Так, древние греки думали, что радуга - это улыбка богини Ириды.

      Радуга  наблюдается в стороне, противоположной  Солнцу, на фоне дождевых облаков или  дождя. Разноцветная дуга обычно находится  от наблюдателя на расстоянии 1-2 км, а иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды.

      Центр радуги находится на продолжении  прямой, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя – на противосолнечной линии. Угол между направлением на главную  радугу и противосолнечной линией составляет 41-42º.

      В момент восхода солнца противосолнечная точка (точка М) находится на линии  горизонта и радуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнца противосолнечная точка опускается под горизонт и размер радуги уменьшается. Она представляет собой лишь часть окружности.

      Часто наблюдается побочная радуга, концентрическая  с первой, с угловым радиусом около 52º и обратным расположением цветов.

      При высоте Солнца 41º главная радуга перестает быть видимой и над  горизонтом выступает лишь часть  побочной радуги, а при высоте Солнца более 52º не видна и побочная радуга. Поэтому в средних экваториальных широтах в околополуденные часы это явление природы никогда не наблюдается.

      У радуги различают семь основных цветов, плавно переходящих один в другой.

      Вид дуги, яркость цветов, ширина полос  зависят от размеров капелек воды и их количества. Большие капли  создают более узкую радугу, с  резко выделяющимися цветами, малые  – дугу расплывчатую, блеклую и  даже белую. Вот почему яркая узкая  радуга видна летом после грозового  дождя, во время которого падают крупные  капли.

      Впервые теория радуги была дана в 1637 году Рене Декартом. Он объяснил радугу, как явление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых каплях.

      Образование цветов и их последовательность были объяснены позже, после разгадки сложной природы белого света  и его дисперсии в среде. Дифракционная  теория радуги разработана Эри и  Партнером.

      Можно рассмотреть простейший случай: пусть  на капли, имеющих форму шара, падает пучок параллельных солнечных лучей (рис. 10). Луч, падающий на поверхность капли в точке А, преломляется внутри нее по закону преломления:

      n sin α=n sin β, где n=1, n≈1,33 –

      соответственно  показатели преломления воздуха  и воды, α – угол падения, а  β – угол преломления света.

      Внутри  капли идет по прямой луч АВ. В  точке В происходит частичное преломление луча и частичное его отражение. Надо заметить, что , чем меньше угол падения в точке В, а следовательно и в точке А, тем меньше интенсивность отраженного луча и тем больше интенсивность преломленного луча.

      Луч АВ после отражения в точке В происходит под углом β`=β b попадает в точку С, где также происходит частичное отражение и частичное преломление света. Преломленный луч выходит из капли под углом γ, а отраженный может пройти дальше, в точку D и т. д. Таким образом, луч света в капле претерпевает многократное отражение и преломление. При каждом отражении некоторая часть лучей света  выходит наружу и интенсивность их внутри капли уменьшается. Наиболее интенсивным из выходящих в воздух лучей является луч, вышедший из капли в точке В. Но наблюдать его трудно, так как он теряется на фоне ярких прямых солнечных лучей. Лучи же, преломленные в точке С, создают в совокупности на фоне темной тучи первичную радугу, а лучи, испытывающие преломление в точке D дают вторичную радугу, которая менее интенсивна, чем первичная.

      При рассмотрении образования радуги нужно  учесть еще одно явление – неодинаковое преломление волн света различной  длины, то есть световых лучей разного  цвета. Это явление носит название дисперсии. Вследствие дисперсии углы преломления γ и угла отклонения лучей Θ в капле различны для лучей различной окраски.

      Чаще  всего мы наблюдаем одну радугу. Нередки случаи, когда на небосводе  появляются одновременно две радужные полосы, расположенные одна за другой; наблюдают и еще большее число  небесных дуг – три, четыре и даже пять одновременно. Это интересное явление наблюдали ленинградцы 24 сентября 1948 года, когда во второй половине дня среди туч над Невой  появились четыре радуги. Оказывается, что радуга может возникать не только от прямых лучей; нередко она  появляется и в отраженных лучах  Солнца. Это можно видеть на берегу морских заливов, больших рек  и озер. Три-четыре радуги – обыкновенные и отраженные – создают подчас красивую картину. Так как отраженные от водной поверхности лучи Солнца идут снизу вверх, то радуга образующаяся в лучах, может выглядеть иногда совершенно необычно.

      Не  следует думать, что радугу можно  наблюдать только днем. Она бывает и ночью, правда, всегда слабая. Увидеть  такую радугу можно после ночного  дождя, когда из-за туч выглянет Луна.

      Некоторой подобие радуги можно получить на таком опыте: Нужно колбу, наполненную  водой, осветить солнечных светом или лампой через отверстие в белой доске. Тогда на доске отчетливо станет видна радуга, причем угол расхождения лучей по сравнению с начальным направлением составит около 41-42°. В естественных условиях экрана нет, изображение возникает на сетчатке глаза, и глаз проецирует это изображение на облака.