Простые опыты по моделированию преломления света в атмосфере

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №8 Волжского района

города Саратова»

Рефракция света в земной атмосфере и обманы зрения

Учебно-исследовательская работа по физике

                         Автор: Михальчук Артём

                                                 Александрович

                                                                  ученик 10 «В» класса

                                                                  МОУ «СОШ №8» г. Саратова

   Руководитель:  учитель физики

   Иванова Татьяна Петровна

Саратов 2008 г.

Оглавление

1. Введение……………………………………………………………………… 3
2. Полное внутреннее отражение света……………...………………………... 4
3. «Чёрное зеркало»…………………………………………………………….. 5
4. Отражение от нагретой воды….……………………………………………. 6
5. Распространение света в слоисто-неоднородной среде…………………... 7
6. Астрономическая рефракция……………………………………………….. 8
7. Своеобразие солнечных закатов……………………………………………. 9
8. Земная рефракция…………………………………………………………... 11
9. Моделирование двойного миража………………………………………… 13
10.  Заключение………………………………………………………………… 14
11.  Список использованной литературы……………………………………... 15

Введение

        Чтобы наблюдать многие оптические явления, не обязательно находиться в физической лаборатории, оборудованной дорогостоящими приборами. Жизнь на Земле невозможна без тёплого и светлого прикосновения солнечных лучей. Стоит лишь приглядеться, и рядом с нами обнаружится множество удивительных явлений, связанных со светом.

        Глядя в обычное зеркало, можно понять законы отражения. Любуясь закатом Солнца, размышлять о преломлении света. Радуга напоминает о дисперсии, цветные крылья стрекоз – об интерференции.

        В некоторых случаях для объяснения оптических явлений не важна природа света, достаточно знать его основные свойства: прямолинейность распространения в однородной среде, законы отражения и преломления, т.е. владеть геометрической оптикой.

        Цель данной работы – описать собственные наблюдения некоторых удивительных световых явлений, попытаться объяснить их, смоделировать и исследовать их на опыте в условиях школьного кабинета физики. Были выполнены следующие демонстрации опытов, описанных В.В. Майером в учебных руководствах: полное отражение света, отражение от нагретой воды, искривление светового пучка оптически неоднородной жидкостью и неравномерно нагретым оргстеклом. Проведённые исследования помогли объяснить красивые оптические явления, происходящие со светом на границе раздела оптически однородных сред и в слоисто-неоднородной среде, какой и является земная атмосфера.

Полное внутреннее отражение света

        Первое знакомство с полным отражением света в школе происходит, как правило, при известной демонстрации хода луча через полуцилиндр из оргстекла. Преломление света происходит на границе раздела стекло-воздух (n1 > n2).

Согласно закону преломления, отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой или отношению абсолютных показателей преломления второй и первой сред.

Т.к. n1 > n2, то sin β > sin α и, следовательно, β > α. При увеличении угла падения растут углы отражения и преломления, причём интенсивность отражённого света увеличивается, а преломлённого уменьшается. α0, при котором β=π/2, называется предельным углом полного отражения света. При любых углах падения, превышающих предельный, падающий пучок полностью отражается.

 «Чёрное зеркало»

        Существует целый ряд занимательных и поучительных опытов, исследующих

явление полного отражения света.

        Вот один из них. Металлическая пластинка покрывается слоем копоти. Такая поверхность может отражать свет лучше любого зеркала, если её опустить в сосуд с водой. При определённом угле между поверхностью пластинки и направлением наблюдения чёрная поверхность блестит, как зеркало! Можно в этом «чёрном зеркале» получить изображение какого-нибудь предмета. На границе каких сред происходит полное отражение света? Копоть не прозрачна, значит не она участвует в «возврате» луча обратно в воду. Дело в том, что между водой и слоем копоти образуется тонкая воздушная плёнка. Вода не смачивает копоть. Полное отражение света возникает на границе сред вода – воздух. Глядя на пластинку сверху сквозь поверхность воды, мы увидим её блестящей.

Рис. 1

Эффект «Чёрного зеркала»

Но не при любом положении пластинки по отношению к боковой стенке сосуда это можно увидеть, если смотреть не сверху, а сквозь боковую стенку. Ожидаемого полного отражения наблюдать не удаётся, если пластинка параллельна стенке сосуда, т.е. тогда, когда слой воды, отдаляющий нас от воздушной прослойки, является плоскопараллельным.

Поворачивая пластинку вокруг вертикальной оси, можно добиться появления «чёрного зеркала». Объяснение явления в сравнении хода лучей через плоскопараллельный слой воды и через слой воды в виде клина (рис. 1 и 2).

Полное отражение имеет место в том случае, если на границу между водой и воздушной прослойкой, отделяющей воду от чёрной пластинки, свет падает под углами, превышающими предельный. Но таких лучей в первом случае просто нет, а во втором – из-за расширения слоя воды добиться полного отражения света можно даже при α < π/2.

     Рис. 2                                Эффект «Чёрного зеркала» отсутствует

Опыт № 1

«Чёрное зеркало»

Цель. Наблюдение полного отражения света.

Приборы и материалы: стеклянный сосуд, алюминиевая пластина, свеча, вода.

Ход опыта.                1. Закоптить алюминиевую пластину над пламенем свечи.

                        2. Опустить пластину в сосуд с водой.

3. Наблюдать появление «Чёрного зеркала» поворачивая пластину   вокруг вертикальной оси.

Отражение от нагретой воды

        Для проведения следующего опыта понадобится большой сосуд с холодной водой, жестяная банка из-под кофе, кипяток. Поверхность банки должна быть тёмной. При быстром заливании в эту банку, закреплённую вертикально в большом сосуде, кипятка, можно увидеть, как поверхность её становится блестящей! Объяснить появления «зеркала» в этом опыте полным отражением света не удастся, т.к. жесть хорошо смачивается водой, в отличие от копоти. Кроме того, появившееся «чёрное зеркало» в предыдущем опыте может сохраняться сколь угодно долго, тогда как в новой ситуации оно само через некоторое время пропадёт. Измерение температуры воды в радиальном направлении к центру большого сосуда показывает, что исчезновение блеска происходит тогда, когда вся толща воды во внешнем сосуде прогреется до примерно одной и той же температуры. Наблюдается же полное отражение лишь при условии, что вода во внешнем сосуде нагрета неравномерно. Вблизи банки с горячей водой её температура наибольшая, а плотность – наименьшая. Следовательно, минимальна и оптическая плотность. Показатель преломления этого слоя воды меньше, чем у холодной воды.

        Нет резкой границы между средами с разной оптической плотностью, а значит, нет и отражения в привычном смысле этого слова.

        Вода вокруг горячей банки оптически неоднородна с плавным изменением оптической плотности. В такой среде луч света распространяется криволинейно, загибаясь в сторону от меньших значений показателя преломления к большим его значениям (Рис. 3).

Рис. 3                                                Отражение от нагретой воды

Опыт № 2

Отражение от нагретой воды

Цель. Наблюдение искривления луча света в оптически неоднородной среде.

Приборы и материалы: стеклянный сосуд, жестяная банка из-под кофе, покрашенная  матовой чёрной краской,  размером: D ~ 6 см, H ~ 12 см, холодная вода, горячая вода (t° ~ 100°С).

Ход опыта.                1. В сосуде с холодной водой закрепить пустую жестяную банку.

                        2. В жестяную банку залить кипяток.

3. Наблюдать   сверху   кратковременное    появление    зеркальной поверхности банки.

Распространение света

в слоисто-неоднородной среде

        Слоисто-неоднородными называют такие оптически неоднородные среды, в которых равные значения показателя преломления образуют слои. Рассмотрим самый простой случай, когда показатель преломления среды изменяется только в одном направлении.

    а                                                           б

Рис. 4

        Пусть показатель преломления изменяется снизу вверх. Мысленно разобьём среду на тонкие горизонтальные слои. Луч света меняет своё направление от слоя к слою.

        Кроме способа получения слоисто-неоднородной среды, описанной в последнем опыте, можно использовать способ, основанный на явлении диффузии. Готовится насыщенный раствор соли (350 г соли на 1 л воды) в одном сосуде и чистая отстоявшаяся вода в другом. Обе жидкости подкрашиваются хвойным концентратом, фильтруются.

        Раствор соли через воронку и шланг осторожно вливается в воду. Граница раздела между ними сначала довольно резкая. Об этом свидетельствует полное отражение луча света от неё. Через некоторое время граница «размазывается», и световой пучок распространяется криволинейно.

В нижней части аквариума находится раствор поваренной соли, имеющий большую оптическую плотность, чем расположенная над ним вода. Показатель преломления убывает непрерывно вдоль оси y. Т.к. n=c/v, скорость распространения света в верхних слоях жидкости больше, чем в нижних. Плоская волновая поверхность внутри жидкости будет
                  Рис. 5                        поворачиваться, занимая последовательно   положения 1, 2, 3, 4, 5 и т.д. Вверху свет будет распространяться быстрее, чем внизу.
        Убедительнее для наблюдения искривления луча в оптически неоднородной среде проходит опыт с нагреваемым оргстеклом. Полуцилиндрическая пластина из оргстекла устанавливается на электрическую плитку, которая разогревается примерно до 100°С. Постепенно эффект полного отражения луча на границе стекло-воздух переходит в плавное его искривление. Причина – изменение оптической плотности оргстекла из-за изменения его температуры.

Искривление луча в оргстекле.

Опыт №3

Распространение света в неравномерно нагретом оргстекле

Цель. Наблюдение искривления светового луча в оргстекле при нагревании.

Приборы и материалы: полуцилиндрическая пластина из оргстекла, электрическая плитка, источник света с лампой на 12 В, снабжённый экраном со щелью шириной 2 мм (из комплекта шайбы Гартля).

Ход опыта.        1. Установить пластину из оргстекла на холодную электрическую плитку.

        2. Включить плитку в сеть.

        3. Направить под небольшим углом к границе стекло-воздух луч света.

        4. Наблюдать замену полного отражения луча в его изгибание.

Астрономическая рефракция.

        Искривление световых лучей при прохождении света через атмосферу называется рефракцией света в атмосфере. Астрономической рефракции подвергаются лучи, приходящие к земному наблюдателю от Солнца, Луны или звёзд. При объяснении этих явлений надо учитывать, что показатель преломления атмосферы немного больше единицы и то, что он изменяется от точки к точке соответственно изменению плотности воздуха.

    а                                                            б

Рис. 6

        Если представить атмосферу как набор оптически однородных горизонтальных слоёв одинаковой толщины, у которых показатель преломления скачком меняется от одного слоя к другому, постепенно увеличиваясь в направлении от верхних слоёв к нижним, то траектория луча, приходящего от небесного объекта к наблюдателю будет ломаной линией (Рис. 3, а).  В действительности плотность атмосферы, а значит, и её показатель преломления изменяются с высотой не скачками, а непрерывно. Потому траектория светового луча представляет собой кривую линию (Рис. 6, б). Вследствие искривления лучей наблюдатель может видеть объект не в том направлении, которое соответствует действительности. В отсутствие рефракции объект был бы виден под углом α (действительное зенитное расстояние объекта). Рефракция же приводит к тому, что объект виден под углом γ. γ<α, поэтому объект кажется находящимся выше над горизонтом, чем это есть на самом деле. Разность α–γ=Ω называют углом рефракции. Согласно современным данным максимальный угол рефракции (угол рефракции при γ=90°) составляет 35´.

Своеобразие солнечных закатов

        Любуясь закатом Солнца, мы видим, как нижний край света коснулся линии горизонта, мы обычно не осознаём, что в действительности в данный момент этот край света уже находится на 35´ ниже линии горизонта. Верхний край солнечного диска приподнимается рефракцией слабее – только на 29´. Поэтому заходящее Солнце кажется немного сплюснутым по вертикали.

Рис. 7

        На показатель преломления воздуха влияет, кроме математического изменения плотности воздуха с высотой, также конвекционные потоки, ветер, степень влажности, температуры.

        Особенности прогревания атмосферы в нижних слоях над различными участками земной поверхности приводят к тому, что нам иногда кажется Солнце заходящим не за линию горизонта, а за некоторую невидимую линию, находящуюся над горизонтом. При этом облачность отсутствует.

Рис. 8

        Если в это время подняться на вершину холма или верхний этаж дома, то можно наблюдать ещё более странную картину: Солнце заходит за линию горизонта, но при этом диск оказывается как бы перерезанным горизонтальной «слепой полосой».

        Такая картина наблюдается, если воздух около самой Земли оказывается холодным, а выше располагается слой тёплого воздуха. Переход от нижнего холодного слоя к верхнему тёплому может приводить к резкому спаду показателя преломления. Если предположить, что спад происходит скачком, ход лучей при переходе через границу между тёплым и холодным воздухом можно иллюстрировать рисунком 9.

Рис. 9

        В точке О находится наблюдатель. h1 – высота холодного слоя воздуха.

        . Рассмотрим Δ О1ОС. По теореме синусов: ;

Учтём, что О1О=R, O1C=R+h1. Тогда => sinα2=sin или . Отсюда следует, что по мере увеличения γ от 0° до 90°, угол α2 возрастает, достигая  максимального значении я при γ=90°(sin 90°=1).

        При α2=α0 (предельному углу) луч, идущий из тёплого слоя воздуха, совпадёт с касательной к границе с холодным слоем. К наблюдателю не будут попадать лучи, которые войдут в холодный слой в точках, лежащих ниже точки В. Это объясняет явление, представленное на рисунке 8. Ширину «слепой полосы» определяет угол β. Если же человек поднимается на холм, (точка О и линия горизонта приподняты), то он может увидеть часть диска ниже «слепой полосы», которую теперь определяет угол 2β.

Рис. 10

Возникновение «слепой полосы»

Рисунок «слепой полосы»

Земная рефракция

Не менее интересна земная рефракция света, когда происходит искривление лучей, идущих к наблюдателю от объектов, расположенных на Земле. При этом происходит впечатляющее явление, получившее название миража. Самую простую форму миража часто удаётся наблюдать летом автомобилистам, едущим в жаркий день вдоль длинного и ровного шоссе.

        Т.к. дорога сильно нагрета, прилегающий к ней воздух так же нагревается, а его плотность уменьшается. Коэффициент преломления воздуха внизу меньше, чем наверху.

Рис. 11

        Глаз наблюдателя видит свет, идущий с неба из точки А, но у него создаётся впечатление, что свет идёт из точки В (рис. 11).

Рис. 12

        Для возникновения верхнего миража (миража дальнего видения) необходимо, чтобы показатель преломления приповерхностного слоя воздуха достаточно быстро уменьшался с высотой, что возможно, когда, например, внизу располагается слой холодного воздуха, а над ним находится слой более тёплого воздуха.

Рис. 13

        Глаз наблюдателя проецирует лучи в том направлении, по которому они входят в него. Большое количество миражей дальнего видения наблюдается на побережье Средиземного моря. Видимо, в этом повинна пустыня Сахара. Горячие массы воздуха поднимаются над ней, затем уносятся на север и создают благоприятные условия для возникновения миражей. Верхние миражи возникают и в северных странах, когда дуют тёплые южные ветры. Верхние слои атмосферы оказываются нагретыми, а нижние – охлаждёнными из-за наличия больших масс льдов и снега.

        Иногда наблюдаются одновременно прямые и обратные изображения предметов.

Рис. 14

Моделирование двойного миража

        Если за кюветой, в которую налиты раствор соли и вода, на расстоянии 20-30 см от неё наклонно расположить длинную белую спицу или полоску белой бумаги, то при наблюдении через кювету можно увидеть характерный изгиб в изображении спицы. Вблизи границы раздела жидкостей наблюдается два изображения конца спицы: нижнее – перевёрнутое, верхнее – прямое.

Рис. 15

        Отрезку SM соответствует перевёрнутое изображение S´M´, образованное лучами, идущими ниже границы раздела жидкостей, и прямое S´M´´, образованное лучами, распространяющимися выше границы раздела.

        Одновременное появление прямого и перевёрнутого изображений прямой спицы может служить моделированием двойного миража.

Так искривляется прямая бумажная полоска, если наблюдать её через оптически неоднородную среду.

Заключение

Преломление света охватывает очень широкий круг явлений природы, среди которых мы выделили те, которые смогли наблюдать сами. Особое место среди них занимают миражи. Они описаны в научных и художественных книгах. Некоторые из них имеют имена, о них сложены легенды. Многие миражи, особенно сверхдальние, когда изображение переносится за тысячи километров, являются весьма сложными оптическими явлениями. Для объяснения возникновения «Летучего голландца», «Фата-Моргана», хрономиражей недостаточно рассмотрение только рефракции света в атмосфере. Физический механизм таких явлений значительно сложнее. Объяснения некоторым из них до сих пор не существует. Возможно, что при определённых условиях в атмосфере образуются гигантские воздушные линзы, своеобразные светопроводы, вторичные миражи, т.е. миражи от миражей. Возможно также, что определённую роль в возникновении миражей играет ионосфера, которая может отражать световые волны.

Фотографии миражей

Список использованной литературы

1. С. Толанский. Удивительные свойства света. Москва: Издательство «Мир», 1969.
2. В.В. Майер. Простые опыты по криволинейному распространению света. Москва: Издательство «Наука», 1984.
3. В.В. Майер. Полное отражение света в простых опытах. Москва: Издательство «Наука», 1986.
4. Л.В. Тарасов, А.Н. Тарасова. Беседы о преломлении света. Москва: Издательство «Наука», 1982.
5. В.Л. Булат. Оптические явления в природе. Москва: Издательство «Просвещение», 1974.
6. Ф. Вуд. Искусственные миражи // Журнал «Квант». 1971. № 10.