УРОК 17/ III-1 Оптические явления в природе. Источники и приемники света. Световой луч. Прямолинейное распространение света. Солнечное и лунное затмения.

Урок 17 / III -1 Оптические явления в природе. Источники и приемники света. Световой луч. Прямолинейное распространение света. Солнечное и лунное затмения.

В затемненном кабинете на столе горит свеча. Звучит “Лунная соната” Бетховена в современной обработке, сопровождается показом слайдов презентации, на котором изображены фотографии лунных дорожек.. Учитель читает отрывок из стихотворения Б.Л.Пастернака “Зимняя ночь”.

Мело, мело по всей земле Во все пределы, Свеча горела на столе, Свеча горела. Как летом роем мошкара Летит на пламя, Слетались хлопья со двора К оконной раме. Метель лепила на стекле Кружки и стрелы. Свеча горела на столе, Свеча горела.

Вопрос: Что объединяет эти произведения?

В каждом произведении физик может назвать объект изучения – в данном случае речь идет о световых явлениях. И свет Луны, и свет свечи – это то, что объединяет эти два произведения.

В обыденной речи слово "свет" мы используем в самых разных значениях: свет мой, солнышко, скажи..., ученье – свет, а неученье – тьма... В физике термин "свет" имеет гораздо более определенное значение. В узком смысле свет – это электромагнитные волны, вызывающие в глазу человека зрительные ощущения. Такой способностью обладают только волны с частотами 4·10¹⁴ – 8·10¹⁴ Гц. Однако, некоторые насекомые, например, пчелы способны видеть ультрафиолетовое излучение. А специальные приборы "ночного видения", часто используемые в военных целях, позволяют человеку видеть мир в инфракрасных лучах.

Эти три вида излучения обладают очень многими схожими свойствами. Поэтому видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения объединяют общим названием – оптические излучения, а раздел физики, занимающийся их изучением, называют оптикой. Таким образом, свет в широком смысле этого слова – это все оптические излучения.

В повседневной жизни человек сталкивается достаточно часто с проявлением законов оптики – оптическими явлениями. Наверное, многие из вас слышали такие слова, как мираж, гало, полярные сияния. Всем с детства известно природное явление – радуга. Сегодня вы узнаете об этих физических явлениях немного больше, а разобраться в причинах данных оптических явлений, вы сможете при изучении соответствующих разделов оптики.

Оптические явления

1. Радуга

Как неожиданно и ярко На влажной неба синеве, Воздушная воздвиглась арка В своём минутном торжестве. Один конец в леса вонзила, Другим за облака ушла – Она пол неба обхватила, И в высоте изнемогла.

Ф.И. Тютчев

Какое атмосферное оптическое явление природы описано в данном отрывке?

Ответ: радуга.

Первая попытка объяснить радугу как естественное явление природы была сделана в 1611 году архиепископом Антонио Доминисом.

Его объяснение противоречило библейскому, поэтому он был отлучён от церкви и приговорён к смертельной казни. Антонио умер в тюрьме, не дождавшись казни, но его тело и рукописи были сожжены. Научное объяснение радуге дал Рене Декарт в 1637 году, на основании законов преломления и отражения света в капельках (воды) дождя, однако цвета радуги он объяснить не смог. 1666 год. Через 30 лет гипотеза Декарта была дополнена И. Ньютоном на основе теории дисперсии. Систему цветов распавшегося солнечного луча Ньютон назвал спектром – латинским словом, обозначающим видение, призрак.

По научному – дисперсия света.

Вопрос: Что такое радуга? Наблюдали данное явление?

Ответ: Радуга есть не что иное, как непрерывный спектр солнечного света, образованный разложением света в каплях дождя (претерпевшего по крайней мере одно полное внутреннее отражение).

Из дождевых капель под разными углами преломления выходят широкие разноцветные пучки. Глаз наблюдателя, находящегося вне зоны дождя, видит над горизонтом радугу в зоне дождя в виде разноцветной полосы на расстоянии обычно 1–2 километра. (Эта дуга является геометрическим местом точек выхода световых лучей, попадающих в глаз наблюдателя из множества капель). Верхняя полоса радуги – красная находится не выше 42 градусов над горизонтом, нижняя – фиолетовая, а между ними располагаются все остальные участки спектра. В это время Солнце стоит не высоко над горизонтом за спиной наблюдателя, а центр радуги – находится над горизонтом. Чем выше Солнце, тем меньшую часть радуги мы видим над горизонтом. Когда Солнце поднимается выше 43 градусов, радуга не видна. Чтобы увидеть всё радужное кольцо, надо подняться высоко, например, на гору над морем.

Вопрос: Где можно наблюдать радугу?

Ответ: Радугу можно наблюдать при полном солнечном освещении в брызгах водопада, фонтана, при работе поливочной машины, просто в струе из шланга. Удается увидеть радугу и в росе, покрывающей траву – это росная радуга.

2. Миражи

Вопрос: Что такое миражи? Реальность он или плод воображения измученных зноем и жаждой людей?

Вопрос: Можно ли его фотографировать или заснять на пленку?

В переводе с французского мираж – это отражение или обманчивое видение. Оба значения хорошо отражают сущность явления.

Когда узнаешь ты, как странны В Сицилии фата марганы, Вопросов этих не задашь. Так часто в воздухе стеною Средь бела дня, на зыбком зное Встаёт обманчивый мираж. То это всем сплетеньем веток Висящий над землёю сад, То город, волн качанья в лад Качающийся так и этак.

И. Гёте Фауст

Редко встречающаяся форма миража, когда на горизонте появляются сложные и быстро меняющиеся изображения предметов – фата моргана.

Мираж представляет собою изображения реально существующего предмета, часто увеличенное и сильно искаженное. Его можно зарисовать, сфотографировать, заснять на плёнку. Различают несколько видов миражей: верхние, нижние, боковые, сложные. Наиболее часто встречаются первые два, и вызваны они резким уменьшение плотности воздуха (а, следовательно, и показателя преломления) с высотой.

Нижние миражи возникают, когда у самой поверхности имеется сравнительно тонкий слой очень тёплого воздуха (с малым показателем преломления).

Лучи от наземных предметов на границе с ним испытывают полное внутреннее отражение. Такой тёплый слой воздуха играет роль как бы воздушного зеркала.

Условия, благоприятствующие возникновению нижних миражей, обычно реализуются в степях и пустынях, при солнечной и безветренной погоде.

Это состояние крайне неустойчивое, ведь сильно нагретый, а значит, более легкий воздух, находится внизу, под слоем более холодного и тяжёлого.

Верхние миражи возникают, когда плотность воздуха с высотой быстро уменьшается. Изображение получается над предметом.

3. Гало, глории, нимбы

Если Солнце или Луна просвечивают через тонкие перисто-слоистые облака, на небе часто появляются, так называемые, гало (в летописях их называют голосами). Это, как правило, радужный круг вокруг Солнца угловым радиусом 22 градуса, реже концентрический круг радиусом 46 градусов. Иногда виден круг, проходящий через солнце параллельно плоскости горизонта, на пересечении которого с кругами гало 22 и 46 градусов появляются радужные пятна – ложные солнца (луны).

Все формы гало являются результатом либо преломления солнечных (лунных) лучей в ледяных кристалликах облака, либо их отражения от боковых граней или оснований кристалликов, имеющих форму шестигранных столбиков.

Глории представляют собой одно или несколько ярких радужных концентрических колец вокруг тени самолёта, отбрасываемой на ниже лежащее облако. Слово глория означает сияние, ореол.

Глории являются дидоракцией солнечного (лунного) света на ледяных кристалликах или водяных капельках облака.

Глория может появляться и вокруг тени головы человека. Такие глории называются – нимбами. В христианской и буддийской иконографии нимбами окружены головы святых.

4. Синее небо и красное солнце

Рассеяние света происходит в основном на колебаниях плотности воздуха. Фиолетовые лучи рассеиваются в 16 раз сильнее, чем красные, так что в рассеянном свете их будет в 16 раз больше. Все остальные цвета видимого света войдут в состав рассеянного света в количествах обратно пропорциональных, четвёртой степени длины волны каждого. В результате цвет смеси рассеянных лучей будет голубым. Солнечный свет, теряя за счет рассеяния в основном синие и фиолетовые лучи, приобретает слабый желтоватый оттенок, который усиливается при опускании светила к горизонту.

5. Сумерки

После захода Солнца земная поверхность освещается рассеянным светом, исходящим от той части небосвода, которая ещё освещена солнечными лучами. По мере погружения Солнца под горизонт освещенная часть Земли сначала уменьшается быстро, потом всё медленнее и медленнее, и потом наступает полная темнота. Переход от дня к ночи и от ночи ко дню на Земле, благодаря наличию атмосферы и её способности рассеивать свет, происходит не мгновенно, а растягивается на некоторый промежуток времени, называемый сумерками.

Различают утренние и вечерние сумерки. В южных широтах, где солнечные лучи падают более отвесно и проходят через более тонкий слой атмосферы, сумерек практически нет.

Источники света – искусственные и естественные.

Источники света делятся на естественные и искусственные

Естественные источники света — это природные материальные объекты и явления, основным или вторичным свойством которых является способность испускать видимый свет.

В отличие от естественных источников света, искусственные источники света являются продуктом производства человека или других разумных существ.

Естественные источники света -

1. Солнце — важнейший природный источник света

2. Луна и другие небесные тела

3. Межзвездный газ

4. Атмосферные электрические разряды

5. Биолюминесценция

6. Радиолюминесценция

Искусственные источники света — технические устройства различной конструкции и различными способами преобразования энергии, основным предназначением которых является получение светового излучения (как видимого, так и с различной длиной волны, например, инфракрасного). В источниках света используется в основном электроэнергия, но так же иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света (например, триболюминесценция, радиолюминесценция, биолюминесценция и др.).

Самым первым из используемых людьми в своей деятельности источником света был огонь (пламя) костра. С течением времени, и ростом опыта сжигания различных горючих материалов люди обнаружили что большее количество света может быть получено при сжигании каких либо смолистых пород дерева, природных смол и масел и воска. С точки зрения химических свойств подобные материалы содержат больший процент углерода по массе и при сгорании сажистые частицы углерода сильно раскаляются в пламени и излучают свет. В дальнейшем при развитии технологий обработки металлов, развития способов быстрого зажигания с помощью огнива позволили создать и в значительной степени усовершенствовать первые независимые источники света, которые можно было устанавливать в любом пространственном положении, переносить, и перезаряжать горючим. А также определенный прогресс в переработке нефти, восков, жиров и масел и некоторых природных смол позволил выделять необходимые топливные фракции: очищенный воск, парафин, стеарин, пальмитин, керосин и т. п. Такими источниками стали прежде всего свечи, факелы, масляные, а позже нефтяные лампы и фонари. С точки зрения автономности и удобства, источники света, использующие энергию горения топлива, очень удобны, но с точки зрения пожаробезопастности (открытое пламя), выделений продуктов неполного сгорания (сажа, пары топлива, угарный газ) представляют известную опасность, как источник возгорания, и история знает великое множество примеров возникновения больших пожаров, причиной которых были масляные лампы и фонари, свечи и пр.

Газовые фонари

Дальнейший прогресс и развитие знаний в области химии, физики и материаловедения, позволили людям использовать также и различные горючие газы отдающие при сгорании большее количество света. Газовое освещение было достаточно широко развито в Англии и ряде европейских стран. Особым удобством газового освещения было то что появилась возможность для освещения больших площадей в городах, зданий и др, за счёт того что газы очень удобно и быстро можно было доставить из центрального хранилища (баллонов) с помощью прорезинненых рукавов (шлангов), либо стальных или медных трубопроводов, а также легко отсекать поток газа от горелки простым поворотом запорного крана. Важнейшим газом для организации городского газового освещения стал так называемый «Светильный газ», производимый с помощью пиролиза жира морских животных (китов, дельфинов, тюленей и др), а несколько позже производимый в больших количествах из каменного угля при коксовании последнего на газосветильных заводах. Одним из важнейших компонентов светильного газа который давал наибольшее количество света был бензол, открытый в светильном газе М. Фарадеем. Другим газом который нашел значительное применение в газосветильной промышленности был ацетилен, но ввиду его значительной склонности к возгоранию при относительно низких температурах, и большим концентрационным пределам воспламенения, он не нашел широкого применения в уличном освещении, и применялся в шахтерских и велосипедных «карбидных» фонарях. Другой причиной затруднившей применение ацетилена в области газового освещения была его исключительная дороговизна в сравнении с светильным газом. Параллельно с развитием применения самых разнообразных топлив в химических источниках света, совершенствовалась их конструкция и наиболее выгодный способ сжигания (регулирование притока воздуха), а также совершенствовалась конструкция и материалы для усиления отдачи света и питания (фитили, газокалильные колпачки и др). На смену недолговечным фитилям из растительных материалов (пенька) стали применять пропитку растительных фитилей борной кислотой (свечное производство), и волокна асбеста, а с открытием минерала монацита обнаружили его замечательное свойство при накаливании очень ярко светиться и способствовать полноте сгорания светильного газа. В целях повышения безопасности использования, рабочее пламя стали ограждать металлическими сетками и стеклянными колпаками различной формы.

Появление электрических источников света

Дальнейший прогресс в области изобретения и конструирования источников света в значительной степени был связан с открытием электричества и изобретением источников тока. На этом этапе научно-технического прогресса стало совершенно очевидно, что необходимо для увеличения яркости источников света увеличить температуру области излучающей свет. Если в случае применения реакций горения разнообразных топлив на воздухе температура продуктов сгорания достигает 1500—2300°С, то при использовании электричества температура может быть еще значительно увеличена. При нагревании электрическим током различных токопроводящих материалов с высокой температурой плавления — они излучают видимый свет и могут служить в качестве источников света той или иной интенсивности. Такими материалами были предложены: графит (угольная нить), платина, вольфрам, молибден, рений и их сплавы. Для увеличения долговечности первых электрических источников света, их рабочие тела (спирали и нити) стали размещать в специальных стеклянных баллонах (лампах) в вакууме или заполненными инертными либо неактивными газами (водород, азот, аргон и др). При выборе рабочего материала конструкторы ламп руководствовались максимальной рабочей температурой нагреваемой спирали, и основное предпочтение было отдано углероду (Лампа Лодыгина, 1873 год) и в дальнейшем вольфраму. Вольфрам и его сплавы с рением, и по настоящее время являются наиболее широкоприменяемыми материалами для изготовления электрических ламп накаливания, так как в наилучших условиях они способны быть нагреты до температур в 2800-3200°С. Параллельно с работой над лампами накаливания, в эпоху открытия и использования электричества также были начаты и значительно развиты работы по электродуговым источником света (свеча Яблочкова) и по источникам света на основе тлеющего разряда. Электродуговые источники света позволили реализовать возможность получения колоссальных по мощности потоков света (сотни тысяч и миллионы канделл), а источники света на основе тлеющего разряда необычайно высокую экономичность. В настоящее время наиболее совершенные источники света на основе электрической дуги — криптоновые, ксеноновые и ртутные лампы, а на основе тлеющего разряда в инертных газах (гелий, неон, аргон, криптон и ксенон) с парами ртути и другие. Наиболее мощными и яркими источниками света в настоящее время являются лазеры. Очень мощными источниками света также являются разнообразные пиротехнические осветительные составы, применяемые для фотосъемки, освещения больших площадей в военном деле (фотоавиабомбы, осветительные ракеты и осветительные бомбы).