Курсовая работа: Оптичні явища в природі
Цікаво також оцінити на око інтенсивність світла, відображеного від поверхні водоймища, залежно від кута падіння, поспостерігати віддзеркалення сонячних променів від вікон будинку при різних кутах падіння вдень, при заході, сході світила.
Захисні стекла
Звичайні шибки частково пропускають теплові промені. Це добре для використання їх в північних районах, а також для парників. На півдні ж приміщення настільки перегріваються, що працювати в них важко. Захист від Сонця зводиться або до затемнення будівлі деревами, або до вибору сприятливої орієнтації будівлі при перебудові. І те і інше іноді буває скрутним і не завжди здійснимим.
Для того, щоб скло не пропускало теплові промені, його покривають тонкими прозорими плівками оксидів металів. Така плівка не пропускає більше половини теплових променів, а покриття містять окисел заліза, повністю відображають ультрафіолетові промені і 35-55% теплових.
Розчини плівко-створюючих солей наносять з пульверизатора на гарячу поверхню скла під час його теплової обробки або формування. При високій температурі 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, освітлюють зсередини. Це можна зобразити в звичайних умовах, виконавши наступний досвід. У високій консервній банці на висоті 5 см від дна треба просвердлити круглий отвір (А) діаметром 5-6 мм. Електричну лампочку з патроном треба акуратно обернути целофановим папером і розташувати її напроти отвору. У банку треба налити води. Відкривши отвір А, отримаємо струмінь, який буде освітлений зсередини. У темній кімнаті вона яскраво світиться і виглядає дуже ефектно. Струменю можна додати будь-яке забарвлення, помістивши на шляху променів світла кольорове скло Б. Якщо на шляху струменя підставити палець, то вода розбризкується і ці крапельки яскраво світяться.
Пояснення цього явища задоволене просте. Промінь світла проходить уздовж струменя води і потрапляє на зігнуту поверхню під кутом, великим граничного, випробовує повне внутрішнє віддзеркалення, а потім знову потрапляє на протилежну сторону струменя під кутом знову більше граничного. Так промінь проходить уздовж струменя згинаючись разом з нею.
Але якби світло повністю відбивалося усередині струменя, то він не був би видний ззовні. Частина світу розсівається водою, бульбашками повітря і різними домішками, 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 має високий показник заломлення (n=2,4173) і внаслідок цього малий кут повного внутрішнього віддзеркалення (б=24?30) і володіє більшою дисперсією, що викликає розкладання білого світу на прості кольори.
Крім того, гра світла в алмазі залежить від правильності його ограновування. Грані алмазу багато разів відображають світло усередині кристала. Унаслідок великої прозорості алмазів високого класу світло усередині них 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 сам він є джерелом багатьох яскравих різноколірних променів.
Зустрічаються алмази, забарвлені в червоний, голубуватий і бузковий кольори. Сяйво алмазу залежить від його ограновування. Якщо дивитися крізь добре огранований водяний-прозорий діамант на світло, то камінь здається абсолютно непрозорим, а деякі його грані виглядають просто чорними. Це відбувається тому, що світло, зазнаючи повне внутрішнє віддзеркалення, виходить у 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 називають діамантовим блиском. Нижня сторона діаманта зовні здається як би посрібленою і відливає металевим блиском.
Найбільш прозорі і крупні алмази служать прикрасою. Дрібні алмази знаходять широке застосування в техніці як ріжучий або шліфувальний інструмент для металообробних верстатів. Алмазами оснащують головки бурильного інструменту для створення ним свердловин в твердих породах. Таке застосування алмазу можливе із-за великої твердості. Інші коштовні камені в більшості випадків є кристалами окислу алюмінію з домішкою оксидів офарблюючи елементів – хрому (рубін), міді (смарагд), марганцю (аметист). Вони також відрізняються твердістю, міцністю і володіють красивим забарвленням і “грою світла”. В даний час уміють отримувати штучним шляхом крупні кристали окислу алюмінію і офарблювати їх в бажаний колір.
Явища дисперсії світла пояснюють різноманіттям фарб природи. Цілий комплекс оптичних експериментів з призмами в XVII столітті провів англійський вчений Ісаак Ньютон. Ці експерименти показали, що біле світло не є основним, його треба розглядати як складений (“неоднорідний”); основними ж є різні кольори (“однорідні” промені, або “монохроматичні” промені). Розкладання білого світла на різні кольори відбувається з тієї причини, що кожному кольору відповідає свій ступінь заломлення. Ці виводи, зроблені Ньютоном, узгоджуються з сучасними науковими уявленнями.
Разом з дисперсією коефіцієнта заломлення спостерігається дисперсія коефіцієнтів поглинання, пропускання і віддзеркалення світла. Цим пояснюються різноманітні ефекти при освітленні тіл. Наприклад, якщо є якесь прозоре для світла тіло, у якого для червоного світла коефіцієнт пропускання великий, а коефіцієнт віддзеркалення малий, для зеленого ж світла навпаки: коефіцієнт пропускання малий, а коефіцієнт віддзеркалення великий, тоді в світлі, що проходить, тіло здаватиметься червоним, а у відображеному світлі – зеленим. Такими властивостями володіє, наприклад, хлорофіл – зелена речовина, що міститься в листі. Розчин хлорофілу в спирту при розгляді на просвіт виявляється червоним. У відображеному світлі цей же розчин виглядає зеленим.
Якщо у якогось тіла коефіцієнт поглинання великий, а коефіцієнти пропускання і віддзеркалення малі, то таке тіло здаватиметься чорним і непрозорим (наприклад, сажа). Дуже біле, непрозоре тіло має коефіцієнт віддзеркалення близький до одиниці для всіх довжин хвиль, і дуже малі коефіцієнти пропускання і поглинання. Цілком прозоре для світла тіло (скло) має малі коефіцієнти віддзеркалення і поглинання і близький до одиниці для всіх довжин хвиль коефіцієнт пропускання. У забарвленого скла для деяких довжин хвиль коефіцієнти пропускання і віддзеркалення практично рівні нулю і, відповідно, значення коефіцієнта поглинання для цих же довжин хвиль близько до одиниці.
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 і потрійні міражі, міражі наддалекого бачення.
Нижні (“озерні”) міражі виникають над сильно нагрітою поверхнею. Верхні міражі виникають, навпаки, над сильно охолодженою поверхнею, наприклад над холодною водою. Якщо нижні міражі спостерігають, як правило, в пустелях і степах, то верхні спостерігають в північних широтах.
Верхні міражі відрізняються різноманітністю. У одних випадках вони дають пряме зображення, в інших випадках в повітрі з'являється перевернене зображення. Міражі можуть бути подвійними, коли спостерігаються два зображення, просте і перевернене. Ці зображення можуть бути розділені смугою повітря (одне може опинитися над лінією горизонту, інше під нею), але можуть безпосередньо змикатися один з одним. Іноді виникає ще одне - третє зображення.
Особливо дивовижні міражі наддалекого бачення. К. Фламмарион в своїй книзі “Атмосфера” описує приклад подібного міражу: “Спираючись на свідоцтва декількох осіб, я можу повідомити про міраж, який бачили в місті Верв’ю (Бельгія) в червні 1815 р. Одного разу вранці жителі міста побачили в небі військо, і так ясно, що можна було розрізнити костюми артилеристів і навіть, наприклад, гармату із зламаним колесом, яке ось-ось відвалиться. Це було ранок битви при Ватерлоо!” Описаний міраж зображений у вигляді кольорової акварелі одним з очевидців. Відстань від Ватерлоо до Верв’ю по прямій лінії складає більш 100км. Відомі випадки, коли подібні міражі спостерігалися і на великих відстанях – до 1000км. “Летючого голландця” слід віднести саме до таких міражів.
Пояснення нижнього (“озерного”) міражу. Якщо повітря у самої поверхні землі сильно нагріте і, отже, його щільність відносно мала, то показник заломлення у поверхні буде менший, ніж у вищих повітряних шарах. Зміна показника заломлення повітря n з висотою h поблизу земної поверхні. Відповідно до встановленого правила, світлові промені поблизу поверхні землі в даному випадку згинатимуться так, щоб їх траєкторія була обернена опуклістю вниз. Світловий промінь від деякої ділянки блакитного неба потрапить в око спостерігача, випробувавши вказане викривлення. А це означає, що спостерігач побачить відповідну ділянку небозводу не над лінією горизонту, а нижче за неї. Йому здаватиметься, що він бачить воду, хоча насправді перед ним зображення блакитного неба. Якщо уявити собі, що у лінії горизонту знаходяться горби, пальми або інші об'єкти, то спостерігач побачить і їх переверненими, завдяки відміченому викривленню променів, і сприйме як віддзеркалення відповідних об'єктів в неіснуючій воді. Так виникає ілюзія, що є “озерним” міражем.
Прості верхні міражі. Можна припустити, що повітря у самої поверхні землі або води не нагріте, а, навпаки, помітно охолоджений в порівнянні з вищими повітряними шарами. Світлові промені в даному випадку згинаються так, що їх траєкторія обернена опуклістю вгору. Тому тепер спостерігач може бачити об'єкти, приховані від нього за горизонтом, причому він бачитиме їх такими, що вгорі як би висять над 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 повітря зменшується з висотою відносно поволі. При швидкому зменшенні показника заломлення 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 випробовують повне внутрішнє віддзеркалення від межі, нижче за яку в даному випадку знаходиться щільніше повітря. Видно, що верхній міраж дає перевернене зображення об'єкту. Насправді немає стрибкоподібної межі між шарами повітря, перехід здійснюється поступово. Але якщо він здійснюється достатньо різко, то верхній міраж дасть перевернене зображення.
Подвійні і потрійні міражі. Якщо показник заломлення повітря змінюється спочатку швидко, а потім поволі, то в цьому випадку промені скривлюватимуться швидше. В результаті виникають два зображення.
Щоб зрозуміти як з'являється потрійний міраж, потрібно представити три послідовний повітряні області: перша (у самої поверхні), де показник заломлення зменшується з висотою поволі, наступна, де показник заломлення зменшується швидко, і третя область, де показник заломлення знову зменшується поволі.. Промені 1 формують нижнє зображення об'єкту, вони розповсюджуються в межах повітряної області I. Промені 2 формують перевернене зображення; потрапляю в повітряну область II, ці промені випробовують сильне викривлення. Промені 3 формують верхнє пряме зображення об'єкту.
Міраж наддалекого бачення. Природа цих міражів вивчена найменше. Ясно, що атмосфера повинна бути прозорою, вільною від водяної пари і забруднень. Але цього мало. Повинен утворитися стійкий шар охолодженого повітря на деякій висоті над поверхнею землі. Нижче і вище за цей шар повітря повинне бути теплішим. Світловий промінь, що потрапив всередину щільного холодного шару повітря, як би “замкнутим” усередині нього і розповсюджується в нім. Траєкторія весь час обернена опуклістю убік менш щільних областей повітря.
Виникнення наддалеких міражів можна пояснити розповсюдженням променів усередині “світловодів”, які іноді створює природа.
Веселка
Веселка – це красиве небесне явище – завжди привертала увагу людини. У колишні часи, коли люди ще мало знали про навколишній світ, веселку вважали “небесним знаменням”. Так, стародавні греки думали, що веселка - це усмішка богині Іріди.
Веселка спостерігається осторонь, протилежною Сонцю, на тлі дощових хмар або дощу. Різноколірна дуга зазвичай знаходиться від спостерігача на відстані 1-2 км., а іноді її можна спостерігати на відстані 2-3 м на тлі водяних крапель, утворених фонтанами або розпилювачами води.