Проект на тему Оптические явления в природе
проект

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ 

на тему 

«Оптические явления в природе» 

Москва

2024

ВВЕДЕНИЕ

Природа прекрасна, необычайно разнообразна и поистине неисчерпаема. В древние времена она внушала человеку не столько благоговение, сколько опасение, страх, подчас ужас. Недаром человек обожествлял природу, населял её в своем воображении добрыми и злыми божествами, искал защиты у добрых и старался умилостивить злых. Сегодня человек уже не испытывает прежнего страха перед явлениями природы, многие её тайны уже раскрыты.

Оптическое явление – это любое наблюдаемое событие, возникающее в результате взаимодействия света и материи. Все оптические явления прямо или косвенно основаны на законах преломления света, рефракции, дисперсии, поглощении света, инверсии.

Оптические явления отличаются огромным разнообразием. Обычные оптические явления часто возникают из-за взаимодействия света Солнца или Луны с атмосферой, облаками, водой, пылью и другими частицами. Самый распространенный и широко известный пример – радуга, образующаяся, когда солнечный свет отражается и преломляется каплями воды; другие яркие примеры – молния, мерцание звёзд в ночном небе, игра света в потоке воды. Некоторые оптические явления такие как, например, «зелёный луч», настолько редки, что иногда даже считаются вымышленными.

Природа – это гигантская физическая лаборатория, демонстрирующая всевозможные физические явления. Многие из них мы наблюдали не раз: например, солнечный закат, облака, туман, радугу, молнию, о других – таких как, мираж, гало, зелёный луч, шаровая молния – многие знают, скорее всего, понаслышке. Но в чем же причина этих явлений, как они возникают. В данной работе рассмотрим оптические явления природы. Именно это и обуславливает актуальность данной работы.

Цель работы: изучить, рассмотреть оптические явления в природе.

Задачи исследования:  

1) изучить, что изучает оптика, виды оптики, откуда появляются цвета;

2) изучить, рассмотреть оптические явления в природе;

3) провести эксперимент по созданию радуги в домашних условиях;

4) провести опрос среди знакомых и учащихся на данную тематику;

5) создать буклет по укреплению знаний на данную тему.

Объект исследования: оптические явления.

Предмет исследования: изучение особенностей оптических явлений в природе.

Гипотеза состоит в том, что я предполагаю, что оптические явления появляются от перемены погоды, что включают в себя давление и температуру воздуха.

Исследование построено на анализе учебников, научной и методической литературы.

В качестве основного метода исследования используется изучение теоретической литературы по теме исследования, сравнительный анализ результатов, опрос, метод обобщения.

Практическая значимость состоит в том, что результат исследования данной работы можно использовать преподавателями и учениками для более глубокого понимания и освещения данной темы, что позволит иметь более глубокое представление об оптических явлениях в природе.

Результат проекта (продукт): буклет, презентация.

Структура работы: работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы, приложения.

ГЛАВА I

Теоретическая часть

1.1. Что изучает оптика

Оптика – это раздел физики, который изучает оптическое излучение (свет в широком понимании), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с веществом. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны видимого, ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов.

Оптика изучает излучение электромагнитных волн видимого спектра для глаз человека, а также инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Она также изучает появление, распространение света, его взаимодействие со средами и веществом, закономерности световых явлений. [3, с. 19]

Таким образом, оптика – это раздел физики, который изучает природу света, его свойства, закономерности распространения в различных средах, а также взаимодействие света с веществами.

Чтобы лучше понять, что такое оптика, следует разобраться с тем, что такое свет. Физика рассматривает привычный нам свет как сложное явление, имеющее двойственную природу. С одной стороны, свет считается потоком мельчайших частиц – квантов света (фотонов). С другой стороны, свет можно описать как вид электромагнитных волн, имеющих определенную длину. Отдельные разделы оптики изучают свет как физическое явление с различных сторон.

Оптика началась с разработки линз древними египтянами и месопотамцами. Самые ранние известные линзы с Крита, зачастую сделанные из полированных кристаллов кварца, датируются 2000 годом до н. э. Древние римляне и греки наполняли стеклянные шары водой для изготовления линз. За этими практическими достижениями последовало развитие теорий света и зрения древнегреческими и индийскими философами, а также развитие геометрической оптики в греко-римском мире. Слово оптика происходит от древнегреческого слова ὀπτική, что означает «внешний вид». Греки рассматривали оптику как часть философского учения. [3, с. 22]

Платон первым сформулировал теорию излучения, идею о том, что зрительное восприятие осуществляется лучами, испускаемыми глазами. Спустя несколько сотен лет Евклид (4–3 вв. до н. э.) написал трактат под названием «Оптика», в котором связал зрение с геометрией, создав геометрическую оптику. Он основывал свою работу на теории излучения Платона, в которой он описал математические правила перспективы и качественно описал эффекты преломления, хотя и сомневался в том, что луч света из глаза может мгновенно зажигать звезды каждый раз, когда кто-то моргает. Евклид сформулировал принцип кратчайшей траектории света и рассмотрел множественные отражения на плоских и сферических зеркалах.

В Средние века греческие идеи об оптике были возрождены и распространены писателями мусульманского мира. В начале XI века Альхазен (Ибн аль-Хайтам) написал Книгу оптики, в которой он исследовал отражение и преломление и предложил новую систему для объяснения зрения и света, основанную на наблюдении и эксперименте. Он отверг «теорию излучения», используемой в оптике Птолемея, то есть, когда для зрения необходимые лучи испускаются глазом, и вместо этого выдвинул идею о том, что свет отражается во всех направлениях по прямым линиям от всех точек наблюдаемых объектов и затем попадает в глаз, хотя не смог правильно объяснить, как глаз улавливает лучи.

После, эксперименты с линзами привели непосредственно к изобретению составного оптического микроскопа около 1595 года и телескопа-рефрактора в 1608 году в Нидерландах.

В начале XVII века Иоганн Кеплер дополнил геометрическую оптику в своих трудах, рассмотрев линзы, отражение плоскими и изогнутыми зеркалами, принципы камер-обскур, закон обратных квадратов, регулирующий интенсивность света, и оптические объяснения астрономических явлений, таких как лунные и солнечные затмения и астрономический параллакс. Он также смог правильно определить роль сетчатки как фактического органа, записывающего изображения, и наконец, получил возможность с научной точки зрения количественно оценить эффекты различных типов линз.

Оптическая теория развивалась в середине XVII века с появлением трактатов, написанных философом Рене Декартом, в котором объяснялось множество оптических явлений, включая отражение и преломление, предполагая, что свет излучается объектами, которые его создали. Это существенно отличалось от древнегреческой теории излучения. В конце 1660-х – начале 1670-х годов Исаак Ньютон расширил идеи Декарта до корпускулярной теории света, определив, что белый свет представляет собой смесь цветов, которые можно разделить на составные части с помощью призмы. В 1690 году Христиан Гюйгенс предложил волновую теорию света, основанную на предположениях Роберта Гука в 1664 году. В 1704 году Ньютон опубликовал «Оптику», и в то время, отчасти из-за его успехов в других областях физики, он, как правило, считался победителем в дебатах о природе света.

Ньютоновская оптика была общепринятой до начала 19 века, когда Томас Янг и Огюстен-Жан Френель провели эксперименты по интерференции света, которые твёрдо установили волновую природу света. Знаменитый эксперимент Юнга с двойной щелью показал, что свет следует принципу суперпозиции, который является волнообразным свойством, не предсказываемым теорией корпускул Ньютона. Эта работа привела к возникновению теории дифракции света и открыла целую область исследований в физической оптике. Волновая оптика была успешно объединена с теорией электромагнетизма Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х годах.

Дальнейшее развитие оптической теории произошло в 1899 году, когда Макс Планк правильно смоделировал излучение чёрного тела, предположив, что обмен энергией между светом и веществом происходит только малыми порциями, которые он назвал квантами. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал теорию фотоэлектрического эффекта, которая твёрдо установила квантование самого света. В 1913 году Нильс Бор показал, что атомы могут излучать энергию только частями, объясняя тем самым дискретные линии, наблюдаемые в спектрах излучения и поглощения. Понимание взаимодействия между светом и материей, которое последовало за этими достижениями, не только легло в основу квантовой оптики, но и имело решающее значение для развития квантовой механики в целом. Конечная кульминация, теория квантовой электродинамики, объясняет всю оптику и электромагнитные процессы в целом как результат обмена реальными и виртуальными фотонами. Квантовая оптика приобрела практическое значение с изобретением мазера в 1953 г. и лазера в 1960 г.

Таким образом, оптика – это раздел физики, изучающий поведение и свойства света, в том числе его взаимодействие с веществом и создание инструментов, которые его используют. Оптика обычно описывает поведение видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Поскольку свет представляет собой электромагнитную волну, другие формы электромагнитного излучения, такие как рентгеновские лучи, микроволны и радиоволны, обладают аналогичными свойствами.

1.2. Виды оптики

По традиции оптику принято подразделять на:

1. Геометрическую. Она изучает условия формирования оптических изображений объекта и объясняет многие явления, связанные с прохождением оптического излучения в различных средах. Геометрическая оптика, не рассматривая вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах, отражающихся и преломляющихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде.

Наибольшее значение геометрическая оптика имеет для расчета и конструирования оптических приборов – от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономических инструментов.

2. Физическую. Она рассматривает проблемы, связанные с процессами испускания света, природой света и световых явлений. Простейшие оптические явления, например возникновение теней и получение изображений в оптических приборах, могут быть поняты в рамках геометрической оптики. Для понимания более сложных явлений нужна физическая оптика. Она позволяет установить границы применимости законов геометрической оптики. Без знания этих границ формальное применение законов геометрической оптики может привести к результатам, противоречащим опыту.

3. Физиологическую. Она изучает строение и функционирование всего аппарата зрения, разрабатывает теорию зрения, восприятия света и цвета.

Значение оптики для практики и ее влияние на другие области знания весьма существенны. Так, создание телескопа и спектроскопа значительно расширила возможности человека в познании окружающего его мира. Изобретение микроскопа принципиально изменило биологию.

Фотография помогает почти всем отраслям науки. Отсутствие очков ухудшило бы качество жизни многих людей. Оптика – одна из древнейших наук, по настоящее время она продолжает интенсивно развиваться.

1.3. Откуда появляются цвета?

Мир вокруг нас цветной и яркие краски встречаются повсюду. Трава зеленая, а небо голубое. Апельсин оранжевый, а кошка серая. Всё это цвета. Всё, что мы видим вокруг – есть игра света. Зрение устроено так, что мы воспринимаем световые лучи, которые провзаимодействовали с объектом, а потом попали нам на сетчатку глаза. Такой луч мог преломляться, а мог отразиться.  [3, с. 29]

Преимущественно, мы видим отраженные лучи, и именно они рисуют изображение объекта в нашем глазу. Световой луч – это условное изображение светового потока, которое мы можем нарисовать таким образом вследствие работы закона прямолинейного распространения света. Сам же свет есть энергия. Свет обладает, в том числе волновой природой. Это – электромагнитная волна. У каждой волны есть такой параметр, как длина волны. Будь-то механическая волна или будь-то электромагнитная, она обладает длиной.

Электромагнитные волны с длинной в диапазоне 380–780 нанометров называются видимым светом. На самом деле у света есть и невидимая для нас «часть». Ведь это излучение подразумевает «широкий» поток излучений. Но некоторая часть лежит за пределами обозначенного диапазона.

Белый свет не имеет определенной длины волны, а от того и не имеет цвета. Это группа потоков с разными длинами волн, которые в сумме воздействуют на наш глаз, формируя белый цвет. В природе нет белого света. Это результат воздействия на глаз световых излучений с различными длинами волн.

Выделяется семь основных цветов. Они, как мы уже поняли, представляют из себя электромагнитные волны с разными длинами волн. Также их называют монохроматическими излучениями.

Рис. 1. Электромагнитные волны с разными длинами волн

Такие оттенки, как розовый или салатовый образуются в результате смешения нескольких монохроматических излучений с различными длинами волн и собственного монохроматического излучения не имеют.

Свет белого цвета можно разложить на цветные составляющие. Такие цветные составляющие называются спектр. Спектр есть цветные полосы, которые чередуются одна за другой. С этим делом впервые баловался великий ученый Ньютон. Он ремонтировал телескоп и вдруг заметил, что по краям линзы на пучке прошедшего через неё света формируется радуга.

   Рис. 2. Великий ученый Ньютон

Тут мы сталкиваемся с новым понятием, которое называется дисперсия. Дисперсия – это способность света, проходящего через объект не только преломляться, но и раскладываться на спектр. Или можно сказать, что это зависимость показателя преломления и скорости света от частоты (а значит – и длины) световой волны. Это тоже обнаружил Ньютон. [3, с. 45]

Рис. 3. Дисперсия

Теперь рассмотрим самое интересное. Почему же, скажем, зеленое яблоко зеленого цвета? Цвет – это способность объектов отражать или излучать световые волны отдельной части спектра.

Мы помним, что свет, который падает на объект, отражается от него и отправляется к нам в глаз. Но от разных тел свет отражается по-разному. Какая-то часть волн с определенной длиной волны из спектра от объекта отражаются, а какие-то поглощаются. Давайте посмотрим на картинку, рис.4.

Рис. 4. Отражение света

Как мы видим из схемы, на первой картинке слева, на объект упал свет белого цвета, который, как мы помним, состоит из семи основных монохроматических излучений, и объект поглотил все излучения, кроме зеленого. Цвет с длиной волны, характерной для зеленого, был отражен и попал нам в глаз. Его мы увидели, а остальные волны были поглощены.

Теперь посмотрим на другие картинки. Очевидно, что черный цвет – это полное поглощение. Отсутствие как такового отраженного цвета. Белый же – напротив. Полное отражение всех семи цветов спектра.

Например, если рассмотреть белый снег, то там мы имеем дело с огромным количеством поверхностей для отражения. Ведь пористость у него огромная. В итоге мы видим скорее рассеянный свет, нежели отраженный. А воспринимаем мы его как белый цвет. Примерно так можно объяснить природу появления цвета у любого объекта вокруг нас.

Цвет окружающих предметов – это результат отражения определенной длины волны (а длиной волны, как мы уже поняли, измеряется ее цвет). Зелёный газон воспринимается нами именно в зелёном цвете потому, что его поверхность отражает только зелёную (520–580 нанометров) составляющую спектра светового потока (будь то солнце или лампочка в качестве источника), а остальные цветовые составляющие поглощаются. Если же при освещении естественным белым светом объект полностью поглощает все световые составляющие спектра, тогда он будет видим для нас в черном цвете. К примеру, черный камень обсидиан даже при ярком свете остается черным. Кстати, заметьте, что предметы черного цвета нагреваются на солнце сильнее остальных, и это не только от того, что они поглощают весь цветовой спектр солнечных лучей, но еще и тепловое излучение солнца. Но если есть полное поглощение света, то имеет место быть и полное отражение. Когда весь спектр светового луча белого света отражается от поверхности предмета, то предмет принимает белый цвет. Когда белый свет падает на предмет, некоторые световые волны отражаются от него, некоторые поглощаются. Предмет красного цвета поглощает почти все световые волны, за исключением красных. Их он отражает, они поступают к нам в глаза, и предмет кажется нам красным.

1.4.  Оптические явления в природе

Оптическое явление – это любое наблюдаемое событие, возникающее в результате взаимодействия света и материи. Оптические явления отличаются огромным разнообразием. Примеры оптических явлений: радуга (образуется, когда солнечный свет отражается и преломляется каплями воды); молния; мерцание звёзд в ночном небе; игра света в потоке воды.

Оптические явления – это явления, обусловленные преломлением, отражением, рассеянием и дифракцией света в атмосфере: по ним можно заключить о состоянии соответствующих слоев атмосферы. Большинство из видов оптики, как физическое явление, доступны нашему наблюдению только при использовании специальных технических устройств. Это могут быть лазерные установки, излучатели рентгеновских лучей, радиотелескопы, плазменные генераторы и многие другое. Но наиболее доступным и, вместе с тем, наиболее красочным оптическими явлениями являются атмосферные. [3, с. 52]

Наша планета окружена газовой оболочкой, которую мы называем атмосферой. Для лучей света, идущих от солнца или других небесных светил, земная атмосфера представляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися параметрами. Оказываясь на их пути, она и отражает часть света, рассеивает его, пропускает его сквозь всю толщу атмосферы, обеспечивая освещённость земной поверхности, в определённых условиях, разлагает его на составляющие и искривляет ход лучей, вызывая, тем самым, различные атмосферные явления. Сюда относятся рефракция, миражи, многочисленные явления гало, радуга, венцы, иризация облаков, глории, явления зари и сумерек, синева неба и прочее, которые огромные по своим масштабам, они по сути – порождение взаимодействия света и атмосферы земли.

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

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. Если радуга появляется вечером перед заходом Солнца, то наблюдают красную радугу. В последние пять или десять минут перед закатом все цвета радуги, кроме красного, исчезают, она становится очень яркой и видимой даже спустя десять минут после заката. Один из самых часто встречаемых видов – двойная радуга. Появляется как результат одновременного нахождения первичного и вторичного типа в небе. Теоретически каждый вид явления двойной, однако, цветовая насыщенность второй может бывать низкой и едва заметной. Возникает из-за двойного отражения внутри капель воды. Тройная радуга аналогична двойной по механизму образования. Единственное различие – дополнительная дуга. Необычные виды радуги включают в себя лунную. Она возникает в лунные ночи. Выглядит как белая дуга. Из-за недостатка света зрение человека не видит ее настолько разноцветной, как дневную. Чем ярче свет, отражаемый Луной, тем лучше глаз сможет увидеть оттенки.

Туманная радуга возникает во время слабого тумана. Свет преломляется, затем рассеивается в мелких каплях воды. Интенсивность цветов низкая – внешне явление схоже с лунным видом. Огненная радуга – редкий оптический эффект. Выглядит как горизонтально расположенный спектр цветов среди облаков. Возникает при условии горизонтального нахождения кристаллов льда в облаке. Обычно наблюдается в горной местности. Красная радуга возникает на рассвете после дождя. Выглядит как одиночная красная дуга. Также называется монохромной. Нередко среди видов выделяется круговая радуга. На самом деле каждый вид явления имеет форму круга, но не под каждым углом можно увидеть ее полностью. Цельный круг хорошо виден с высокого здания или самолета.

Таким образом, если в небе раскидывается радужный полукруг, это значит, что капли дождя, как призма, разложили солнечный свет на составные части. Случается это обычно тогда, когда Солнце светит сквозь еще падающий дождь, причем, красивую многоцветную ленту, большой дугой опоясывающую небо, мы видим только тогда, когда Солнце у нас за спиной. С самолета радуга выглядит замкнутым кругом. Радугу можно наблюдать даже в брызгах водопада, морского прибоя, но в любом случае для этого необходимо, чтобы Солнце было у наблюдателя за спиной. Последовательность цветов в радуге – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый – легко усвоить, запомнив фразу, где первая буква каждого слова указывает на соответствующий цвет: Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан.

• Миражи. Мираж – это природное явление уникальное и абсолютно непредсказуемое. Увидеть их удаётся довольно редко, поскольку условия для их создания есть далеко не всегда и не повсюду. Ученые, которые исследуют это чудо природы, утверждают, что мираж являет собой оптический эффект и образуется тогда, когда свет отражается между неравномерно нагретыми, а потому – различными по плотности слоями воздуха. Или в том случае, когда воздушные массы по каким-либо причинам необычно распределились по вертикали.

Говоря про мираж, можно не без оснований утверждать, что это своего рода игра воздуха со светом, в результате которого можно увидеть мнимые изображения самых разных предметов. Оригинальные предметы, фантомы которых внезапно появляются перед глазами удивлённой публики, существуют на самом деле, но на огромном расстоянии от того места, где вдруг стали видимыми. А зрители видят всего-навсего проекцию картинки, которая транслируется на огромном расстоянии от оригинального объекта путём многократного преломления световых лучей при наличии оптимальных для передачи изображения условий. Тогда, когда температура возле земной поверхности значительно превышает температуру в более высоких атмосферных слоях.

Миражи возникают тогда, когда образуются так называемые «атмосферные зеркала». Это происходит, когда один из верхних воздушных слоёв начинает отражать световые лучи. Это, например, может произойти утром в то время, как нижние атмосферные слои еще не нагрелись, а потому сильно охлаждены из-за соприкосновения с землёй. В это же время слои, которые находятся над ними – более тёплые, поэтому один из верхних слоёв начинает отзеркаливать от себя всё, что расположено на Земле. Часто можно увидеть даже те предметы, что расположены на огромном расстоянии от зрителя – города, архипелаги, леса, горы, поезда, морские судна.

Ученые составили целую классификацию миражей. Как ни странно, они бывают разные. Самый простой вид миража – нижний или озёрный. Чаще всего наблюдается над ровной поверхностью: дороги, пустыни, степь. Чтобы возник такой мираж, требуется значительная разница между температурой верхних слоёв атмосферы и нижних, ближайших к земле. Возможен и совершенно обратный эффект: верхний мираж. Чтобы он возник, требуется повышение температуры с высотой. Такие видения более стабильны и «лучшего качества».

Верхний мираж может быть прямым или перевернутым, в зависимости от расстояния до истинного объекта и разности температур. Боковой мираж – это отражение от нагретой отвесной стены. Боковой мираж возникает по такому же принципу как нижний, но отражение идет от вертикальной поверхности, например, от нагретой стены. В отражении стены человек, как в зеркале, может увидеть все, что вокруг нее.

В пустыне можно увидеть мираж в виде водоемов. Это не иллюзия, возникшая из-за усталости и жажды путешественников, а реальный оптический эффект.

Таким образом, мираж – это оптическое явление в атмосфере. Оно вызвано преломлением потока света на границе между разными по температуре слоями воздуха. То есть, когда луч меняет направление, переходя из слоя воздуха одной температуры в слой воздуха другой температуры, мы видим мираж. Мираж не является иллюзией, мираж – это эффект, который действительно возникает: мы видим реальное изображение, которое возникло за счет хитрого хода луча света.

В мираже не может возникнуть то, чего нет вообще. Объект, который мы наблюдаем в мираже, обязательно где-то есть, но мы видим его не в том месте, не того размера, порой перевернутым или умноженным.

Возможно, самый часто возникающий мираж не раз видели автовладельцы: в жаркую погоду на раскаленной асфальтированной дороге впереди видится лужа с водой. На самом деле это отражение неба на асфальте.

• Гало. Для большинства оптических иллюзий, которые можно наблюдать невооруженным глазом, объяснением является преломление солнечных лучей в атмосфере. Одним среди самых необычных примеров оптических явлений выступает солнечное гало. По сути, гало – это радуга вокруг солнца. Однако она отличается от обычной радуги, как по внешнему виду, так и по своим свойствам. Это явление имеет немало разновидностей, каждая из которых красива по-своему. Но для возникновения любого вида этой оптической иллюзии необходимы определенные условия. Гало возникает на небе при совпадении нескольких факторов. Чаще всего его можно увидеть в морозную погоду при высокой влажности. В воздухе при этом присутствует большое количество ледяных кристаллов. Пробиваясь сквозь них, солнечный свет преломляется таким образом, что образует дугу вокруг Солнца.
• Полярные сияния. Полярные сияния завораживали и вдохновляли людей на протяжении тысячелетий. Озаряемое цветными переливами небо упоминается в мифологии многих культур. Полярные сияния возникают за счет взаимодействия энергетически заряженных частиц от Солнца с магнитным полем Земли. Невидимые линии поля магнитосферы направлены от северного магнитного полюса к южному. Когда заряженные частицы достигают магнитного поля, они отклоняются, создавая вокруг Земли головную ударную волну.

Магнитное поле у полюсов слабее, и в этих областях некоторые частицы входят в атмосферу Земли, где сталкиваются с частицами газа. Эти столкновения порождают свечение, которое мы и воспринимаем как цветные переливающиеся волны.

Различия в цвете обусловлены разными типами газовых частиц. Распространенный желтовато-зеленый исходит от молекул кислорода, расположенных примерно в 100 км над Землей. Кислород на высоте 320 км вызывает красные сияния. А взаимодействие заряженных частиц с азотом приводит к синим или пурпурно-красным сияниям.

Часто полярные сияния можно увидеть зимними ночами на Аляске, в Северной Канаде, Норвегии и Сибири. Несмотря на то, что они происходят круглый год, видно их становится только в темноте, поэтому они более заметны в те месяцы, когда ночи длиннее.

Таким образом, полярное сияние – это одно из уникальных природных явлений, представляющее собой многоцветное свечение, возникающее в определенных слоях атмосферы вследствие взаимодействия ее магнитного поля с частицами солнечного ветра. Подобное световое действие на небе – это поистине неимоверное природное явление и его можно лицезреть в ночное время на территории стран, расположенных как на севере земного шара, так и на его юге. Именно от этого и зависит название сияния – северное или южное.

Северное сияние образуется излучением фотонов в верхних областях земной атмосферы, на высоте 80 км и выше. Под воздействием ионов, протонов, электронов молекулы и атомы газов (главным образом азота и кислорода) переходят в измененное состояние. Когда же атом либо молекула возвращаются в основное состояние, происходит излучение кванта света. Разные атомы дают различный свет при переходе в возбужденное или обычное состояние. Так, кислород светится зеленым или багровым цветом, азот – синим или красным. Под воздействием ряда факторов ширина свечения может составлять 160 км. Длина же сияния может превышать полторы тысячи километров.

Выводы по 1-й главе: таким образом, свет обладает волновой природой, это – электромагнитная волна. У каждой волны есть такой параметр, как длина волны. Будь-то механическая волна или будь-то электромагнитная, она обладает длиной. Выделяется семь основных цветов. Они, как мы уже поняли, представляют из себя электромагнитные волны с разными длинами волн. Оптическое явление – это любое наблюдаемое событие, возникающее в результате взаимодействия света и материи.

Оптические явления отличаются огромным разнообразием. Примеры оптических явлений: радуга (образуется, когда солнечный свет отражается и преломляется каплями воды); молния; полярные сияния, гало, мерцание звёзд в ночном небе. Оптические явления – это явления, обусловленные преломлением, отражением, рассеянием и дифракцией света в атмосфере.

Радуга – это явление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых каплях. Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Мираж – это природное явление, увидеть их удаётся довольно редко, поскольку условия для их создания есть далеко не всегда и не повсюду, мираж являет собой оптический эффект и образуется тогда, когда свет отражается между неравномерно нагретыми, а потому – различными по плотности слоями воздуха. Или в том случае, когда воздушные массы по каким-либо причинам необычно распределились по вертикали. Говоря про мираж, можно не без оснований утверждать, что это своего рода игра воздуха со светом, в результате которого можно увидеть мнимые изображения самых разных предметов. Гало – это радуга вокруг солнца. Гало можно увидеть в морозную погоду при высокой влажности. В воздухе при этом присутствует большое количество ледяных кристаллов. Пробиваясь сквозь них, солнечный свет преломляется таким образом, что образует дугу вокруг Солнца. Полярное сияние – это одно из уникальных природных явлений, представляющее собой многоцветное свечение, возникающее в определенных слоях атмосферы вследствие взаимодействия ее магнитного поля с частицами солнечного ветра.

ГЛАВА II

Практический этап исследования

2.1. Анкетирование

Всё исследование проводилось в два этапа.

Первый этап – изучение учебной, справочной литературы по теме исследования, составление примерного плана исследования, написание работы, выводы, результаты исследования.

Второй этап – проведение опроса среди знакомых и учащихся моего учебного заведения. Исследование проводилось среди обучающихся 1–3 курсов (опрошенных 40 человек).

Как и многим людям, мне тоже очень интересна данная тема: «Оптические явления в природе». На втором этапе был проведен опрос по данной теме, с целью выяснить уровень знаний учащихся.

По результатам данного опроса мной сделаны следующие выводы по выявлению уровня знаний ребят: выяснилось, что далеко не все знают об оптических явлениях в природе.

По результатам данного опроса мной сделаны следующие выводы по выявлению уровня знаний опрошенных ребят по данной теме: на вопрос, знаете ли вы, что изучает оптика?  (95%) ответили положительно; на вопрос, что из себя представляет свет? (70%) ответили правильно, другие затруднились с ответом. На вопрос, назовите примеры оптических явлений в природе? (80%) ответили правильно, другие затруднились с ответом, либо отвечали лишь поверхностно и не совсем точно и правильно.

На вопрос о том, знаете ли вы, что такое оптическое явление? (95%) ответили положительно. На вопрос, какие виды оптики вы знаете? (50%) ответили правильно, другие затруднились с ответом, либо отвечали лишь поверхностно и не совсем точно и правильно. На вопрос, объясните, откуда появляются цвета? (40%) ответили правильно, другие затруднились с ответом. На вопрос о том, знаете ли вы, почему появляется радуга? (80%) ответили правильно, другие затруднились с ответом. На вопрос, почему возникает полярное сияние? (70%) ответили правильно, другие затруднились с ответом и не смогли дать корректного ответа. На вопрос, знаете ли вы, что такое миражи? (95%) ответили положительно, другие затруднились с ответом.

Проведя небольшой социальный опрос, мной выяснено, что большинство ребят моего учебного заведения (чуть больше половины) знают об оптических явлениях в природе. Но всё же, мной было рекомендовано ребятам больше читать различной познавательной литературы на данную тематику, так как такое положение в данной области требует просветительской работы.

2.2.  Эксперименты по созданию радуги в домашних условиях

Я, как и многие, очень люблю природное явление – радугу. Именно поэтому мы решили попробовать создать радугу в домашних условиях.

Опыт №1 с CD-диском.

Радугу вполне можно увидеть, используя диск. Это происходит из-за того, что его поверхность имеет огромное количество бороздок, которые исполняют роль маленьких призм. Необходимо подойти к освещённому окну, закрыть его шторой таким образом, чтобы остался маленький просвет для световых лучей. Взять диск и разместить его так, чтобы на него попал солнечный свет, после чего нужно отразить луч с помощью диска на картон. Если наклонять диск в разные стороны, можно получить как радужную полоску, так и круговую радугу. Если вместо Солнца использовать фонарик, цвета радуги окажутся менее насыщенными.

Рис. 5. Радуга в домашних условиях

   Рис. 6. Радуга у нас в доме

Опыт №2 с водой.

Взять миску, наполнить ее водой, найти белый лист бумаги и небольшое зеркало. Миску выставить на солнце, опустить зеркало в воду, прикрепить к краю посуды и повернуть так, чтобы на него падали световые лучи. После этого нужно двигать лист бумаги вдоль миски в поисках места, где на нём будет отображаться радуга.

Рис. 7. Радуга в домашних условиях

 Рис. 8. Радуга дома

Выводы по 2-й главе: таким образом, мы провели опрос среди учащихся и знакомых по данной теме, результаты см. приложение. Также мы провели у нас дома опыты по созданию радуги, красивого оптического явления, у нас дома, посредством CD-диска.

Также мы взяли миску, наполнили ее водой, нашли белый лист бумаги и небольшое зеркало: миску выставили на солнце, опустили зеркало в воду, прикрепили к краю посуды и повернули так, чтобы на него падали световые лучи. После этого подвигали лист бумаги вдоль миски в поисках места, где на нём будет отображаться радуга. В итоге мы получили радугу в домашних условиях. В заключение стоит отметить, что радуга – это красивейшее оптическое явление в природе, наравне с полярным сиянием, гало, миражами, молнией и другими.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, оптике на протяжении длительного времени принадлежала ведущая роль в очень многих фундаментальных исследованиях и развитии основных физических воззрений. Естественные оптические явления очень красивы и разнообразны. В древние времена, когда люди не понимали их природу, они придавали им мистическое, магическое и религиозное значения, боялись и страшились их. Но теперь, когда каждое из явлений мы способны даже произвести собственными руками в лабораторных, а иногда и вполне простых условиях, ушел первобытный ужас, и мы можем с удовольствием замечать в повседневной жизни мелькнувшую в небе радугу, уезжать на север полюбоваться полярным сиянием и с любопытством отмечать мелькнувший в пустыне таинственный мираж.

Оптическое явление – это любое наблюдаемое событие, возникающее в результате взаимодействия света и материи. Оптические явления – это явления, обусловленные преломлением, отражением, рассеянием и дифракцией света в атмосфере. Оптические явления отличаются огромным разнообразием. Можно привести следующие примеры оптических явлений, например: радуга, образуется, когда солнечный свет отражается и преломляется каплями воды; молния; миражи; гало; полярные сияния, а также в данной работе мы выяснили, как они возникают.

Мы выяснили в работе, почему мы видим те или иные цвета. Что свет обладает волновой природой, что это – электромагнитная волна, цвет – это результат воздействия на глаз световых излучений с различными длинами волн. Цвет окружающих предметов – это результат отражения определенной длины волны, а длиной волны, как мы уже поняли, измеряется ее цвет. Проводить исследование мне очень понравилось, буду проводить исследования снова. Таким образом, цели и задачи в данной работе достигнуты, моя гипотеза подтвердилась.

Список использованной литературы

1.Булат В.Л. Оптические явления в природе/В.Л. Булат. – Изд. 2-е. – М.: ЛЕНАНД, 2020. – 140 с.

2.Волновая оптика и квантовая физика: учебное пособие/О.И. Кондратьева и др. – Казань: КГТУ, 2010. – 159 с.

3.Волынчикова Т. Д. Оптические явления в природе/Т.Д. Волынчикова. – М.: Перо, 2018. – 295 с.

4.Гершензон Е. М. Курс общей физики. Оптика и атомная физика: для физ.-мат. фак. /Е. М. Гершензон, Н. Н. Малов, А. Н. Мансуров. – 2-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1992. – 320 с.

5.Спиридонов О. П. Свет. Физика. Информация. Жизнь: о природе уникального явления, его роли в изучении Вселенной, в появлении жизни и об избирательном гении человечества/О.П. Спиридонов. – М.: ЛЕНАНД, 2014. – 218 с.

6.Сиротюк А. Л. Обучение детей с учетом психофизиологии: Практ. руководство для учителей и родителей/А.Л. Сиротюк. – М.: Сфера, 2000. – 122 с.

7.Тарасов Л. В. Введение в квантовую оптику: учебное пособие для студентов вузов/Л.В. Тарасов. – Изд. 2-е. – М.: изд-во ЛКИ, 2008. – 304 с.

8.Физика. 8 класс: учебник/С.В. Громов, Н. А. Родина, В.В. Белага и др. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2022. – 303 с.

9.Яворский Б. М. Справочник по физике/Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. – М.: Наука, 1990. – 622 с.

Приложение

Анализ анкетирования

Анкета. Ответьте, пожалуйста, на вопросы:

1) Знаете ли вы, что изучает оптика?

2) Какие виды оптики вы знаете?

3) Что из себя представляет свет?

4) Знаете ли вы, что такое оптическое явление?

5) Назовите примеры оптических явлений в природе?

6) Знаете ли вы, почему появляется радуга?

7) Объясните, откуда появляются цвета?

8) Почему возникает полярное сияние?

9) Знаете ли вы, что такое миражи?

БУКЛЕТ

Пожалуйста, помните!

• Оптика – это раздел физики, который изучает оптическое излучение (свет в широком понимании), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с веществом. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны видимого, ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов.

• Оптика изучает излучение электромагнитных волн видимого спектра для глаз человека, а также инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Она также изучает появление, распространение света, его взаимодействие со средами и веществом, закономерности световых явлений. Оптика – это раздел физики, который изучает природу света, его свойства, закономерности распространения в различных средах, а также взаимодействие света с веществами.

• Свет обладает волновой природой. Это – электромагнитная волна. У каждой волны есть такой параметр, как длина волны. Будь-то механическая волна или будь-то электромагнитная, она обладает длиной.

• Цвет – это способность объектов отражать или излучать световые волны отдельной части спектра.
• Свет, который падает на объект, отражается от него и отправляется к нам в глаз. Но от разных тел свет отражается по разному. Какая-то часть волн с определенной длиной волны из спектра от объекта отражаются, а какие-то поглощаются.
• Цвет окружающих предметов – это результат отражения определенной длины волны, а длиной волны измеряется ее цвет.
• Оптическое явление – это любое наблюдаемое событие, возникающее в результате взаимодействия света и материи. Оптические явления – это явления, обусловленные преломлением, отражением, рассеянием и дифракцией света в атмосфере: по ним можно заключить о состоянии соответствующих слоев атмосферы.
• Оптические явления отличаются огромным разнообразием. Примеры оптических явлений в природе: молния; мерцание звёзд в ночном небе; радуга, образуется, когда солнечный свет отражается и преломляется каплями воды; молния; миражи; гало; полярные сияния и другие.

• Радуга – это явление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых каплях. Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя.
• Мираж – это природное явление, увидеть их удаётся довольно редко, поскольку условия для их создания есть далеко не всегда и не повсюду, мираж являет собой оптический эффект и образуется тогда, когда свет отражается между неравномерно нагретыми, а потому – различными по плотности слоями воздуха. Или в том случае, когда воздушные массы по каким-либо причинам необычно распределились по вертикали. Говоря про мираж, можно не без оснований утверждать, что это своего рода игра воздуха со светом, в результате которого можно увидеть мнимые изображения самых разных предметов.

• Гало – это радуга вокруг солнца. Гало можно увидеть в морозную погоду при высокой влажности. В воздухе при этом присутствует большое количество ледяных кристаллов. Пробиваясь сквозь них, солнечный свет преломляется таким образом, что образует дугу вокруг Солнца.

• Полярное сияние – это одно из уникальных природных явлений, представляющее собой многоцветное свечение, возникающее в определенных слоях атмосферы вследствие взаимодействия ее магнитного поля с частицами солнечного ветра.

Рис. 1. Полярное сияние: оптическое явление в природе