«Планети-гіганти та їх супутники»

10 цікавих фактів про оптичні явища

Зміст:

•  Вступ
• Що ж таке оптичні явища?
• Види оптики
• Факти про оптичні явища
• Відео
• Тести 
• Підсумок
• Джерела інформації 

 
Фізика - одна з найпрекрасніших наук. Вона показує нам, який великий і водночас близький до людини світ, в якому ми живемо. Фізика дає змогу людині відчути свою велич, надзвичайну силу свого розуму, робить її наймогутнішою істотою у світі. 

 Вчення про свiтло є одним з найважливiших у сучаснiй фiзицi. Геоме-трична оптика — теоретична основа оптотехнiки, теорiї оптичних наближеньi ряду iнших дисциплiн. Основнi поняття геометричної оптики необхiднiкожному, незалежно вiд обраної спецiальностi. На основних законах геоме-тричної оптики можна побудувати математичну теорiю поширення свiтла.Область явищ, дослiджуваних оптикою велика. Оптичнi явища тiсно пов’я-занi з явищами, дослiджуваними в iнших роздiлах фiзики, а оптичнi методидослiдження належать до найбiльш тонких i точних.Але незважаючи на величезне значення оптики i її технiчних застосувань,змiст цього роздiлу фiзики важливий, тому перейдемо до вивчення про оптичні явища.

Що ж таке оптичні явища? 

 Перші уявлення стародавніх учених про світло були вельми наївні. Вважалося, що з очей виходять особливі тонкі щупальці і зорові враження виникають при обмацуванні ними предметів. Тоді під оптикою розуміли науку про зір. Саме такий точний сенс слова “оптика”. В середні віки оптика поступово з науки про зір перетворилася на науку про світло, цьому сприяв винахід лінз. У сучасний час оптика - це розділ фізики, в якому досліджується випускання світла, його розповсюдження в різних середовищах і взаємодія з речовиною. Що ж до питань, пов'язаних із зором, пристрій і функціонування ока, то вони виділилися в спеціальний науковий напрям, званий фізіологічною оптикою. 

 

Отже, оптика – вчення про природу світла, світлових явищах і взаємодії світла з речовиною. І майже вся її історія – це історія пошуку відповіді: що таке світло? 

 
Види оптики.

 При розгляді багатьох оптичних явищ можна користуватися уявленням про світлові промені – геометричні лінії, уздовж яких розповсюджується світлова енергія. В цьому випадку говорять про геометричну (променевий) оптику.

Геометрична оптика широко використовується в світлотехніці і при розгляді дій численних приладів і пристроїв – починаючи від лупи і окулярів і закінчуючи складними оптичними мікроскопами і телескопами.На початку XIX століття розвернулися інтенсивні дослідження відкритих раніше явищ інтерференції, дифракції і поляризації світла. Ці явища не знаходили пояснення в рамках геометричної оптики, необхідно було розглядати світло у вигляді поперечних хвиль. Так виникла хвильова оптика. Спочатку вважали, що світло - це пружні хвилі в деякому середовищі (світовому ефірі), яке ніби то заповнює весь світовий простір.У 1864 році англійський фізик Джеймс Максвелл створив електромагнітну теорію світла, згідно якої хвилі світла – це електромагнітні хвилі з відповідним діапазоном довжин.
Дослідження, виконані на початку XX століття, показали, що для пояснення деяких явищ, наприклад фотоефекту, необхідно представити світловий пучок у вигляді потоку своєрідних частинок – світлових квантів (фотонів). Ще 200 років тому Ісаак Ньютон дотримувався аналогічної точки зору на природу світла в своїй “теорії закінчення світла”. Тепер уявлення про світлові кванти вивчає квантова оптика.
  
Факти про оптичні явища.

 

1. Місячна веселка
Ми майже звикли до звичайної веселки. Але нічна веселка набагато більш рідкісне явище, ніж веселка денна. Вона може з'явитись лише тоді, коли Місяць повний або майже повний - саме в цей час він буває найяскравішим. І все одно його яскравості недостатньо - місячна веселка значно блідіша за звичайну. Це пояснюється тим, що Місяць відбиває від Сонця менше світла, ніж випромінює саме Сонце.
Для появи місячної веселки, за винятком тих, які викликані водоспадом, Місяць має знаходитись невисоко в небі (менше ніж 42 градуси і бажано ще нижче) і небо має бути темним. І звичайно ж навпроти Місяця повинен йти дощ. Шукати місячну веселку потрібно на протилежній від Місяця стороні неба.

Феномен місячної веселки спостерігається лише в кількох місцях у світі. Наприклад, на території Йосемітського національного парку (США) знаходиться велика кількість водоспадів, тому тут можна спостерігати місячні веселки, особливо при весняному підвищенні рівня води від талого снігу. Але, ймовірно, при достатньо сильному тумані і ясній погоді, нічну веселку можна спостерігати на будь-яких широтах.




2. Міраж
Незважаючи на свою поширеність, міражі завжди викликають майже містичне відчуття подиву. Але міраж - це лише оптичне явище в атмосфері: відбиття світла стиком між різко різними за щільністю шарами повітря. Для спостерігача таке відбиття полягає в тому, що разом з віддаленим об'єктом (або ділянкою неба) видно його зміщене уявне зображення. Міражі бувають нижні, видимі під об'єктом, верхні, - над об'єктом, і бічні.

Нижній міраж спостерігається при дуже великому вертикальному градієнті температури (падінні її з висотою) над перегрітою рівною поверхнею, часто пустелею або асфальтованою дорогою. Уявне зображення неба створює при цьому ілюзію води на поверхні. Так, прямуюча вдалечінь дорога в жаркий літній день здається мокрою. Верхній міраж спостерігається над холодною земною поверхнею при інверсійному розподілі температури (зростає з її висотою).
Складні явища міражу з різким спотворенням вигляду предметів носять назву Фата-моргана. Існують також об'ємні міражі - в горах дуже рідко, за збігу певних умов, можна побачити «спотвореного себе» на досить близькій відстані. Пояснюється це явище наявністю в повітрі «стоячих» парів води.




3. Гало
Зазвичай гало виникають при підвищеній вологості або лютому морозі - раніше гало вважалося явищем згори, і люди чекали чогось незвичайного. Але гало, це лише ще один оптичний феномен. Він являє собою сяюче кільце навколо об'єкта - джерела світла. Існує безліч типів гало, але викликані вони переважно крижаними кристалами в перистих хмарах на висоті 5-10 км у верхніх шарах тропосфери. Вигляд кожного конкретного гало залежить від форми і розташування кристалів.

Гало зазвичай з'являється навколо Сонця чи Місяця, іноді навколо інших потужних джерел світла, таких як вуличні вогні. Відбите і заломлене крижаними кристалами світло нерідко розкладається в спектр, що робить гало схожим на веселку. Іноді в морозну погоду гало утворюється кристалами дуже близько до земної поверхні. В цьому випадку кристали нагадують сяючі коштовні камені.




4. Пояс Венери
Цікаве оптичне явище, яке виникає за умови запиленої атмосфери - незвичайний «пояс» між небом та горизонтом. Виглядає пояс Венери, як смуга від рожевого до помаранчевого кольору між темним нічним небом внизу і блакитним небом вгорі. З'являється він перед сходом або після заходу в місці, протилежному Сонцю.

Пояс Венери можна спостерігати будь-де, але потрібно, щоб небо біля горизонту було чистим. Власне, в поясі Венери атмосфера розсіює сонячне світло, яке під час світанків та заходів Сонця виглядає більш червоним, тому й виходить рожевий колір, а не синій.




5. Полярне сяйво
Загадкове полярне сяйво - це люмінесценція (світіння) верхніх шарів атмосфер всіх планет, які мають магнітосферу, внаслідок їх взаємодії з зарядженими частинками сонячного вітру. У нас на Землі полярні сяйва спостерігаються переважно у високих широтах обох півкуль в овальних зонах-поясах, які оточують магнітні полюси планети - авроральних овалах. Полярні сяйва навесні та восени виникають помітно частіше, ніж взимку чи влітку. Пік частотності доводиться на періоди, найближчі до весняного і осіннього рівнодення.
В спектрі полярних сяйв Землі найбільш інтенсивне випромінювання основних компонентів атмосфери - азоту та кисню. Світіння кисню дає зелений та червоний кольори, азоту - фіолетовий та зелений. При спостереженні з поверхні Землі полярне сяйво проявляється у вигляді мінливого світіння неба або рухомих променів, смуг, корон, «завіс». Тривалість полярних сяйв становить від десятків хвилин до кількох діб.

6. Ілюзія Місяця
Ілюзія Місяця («місячна ілюзія») - оптична ілюзія, при якій розмір Місяця, коли той знаходиться низько над горизонтом, здається в кілька разів більшим у порівнянні з тим, як він сприймається при знаходженні високо в небі (в зеніті), хоча проекції Місяця на сітківку ока в обох випадках рівні між собою. Ілюзія виникає також при спостереженнях Сонця, планет та сузір'їв.

Широко поширена помилкова думка, яка полягає в тому, що більший розмір Місяця над горизонтом пояснюється ефектом збільшення, який створюється атмосферою Землі. Однак, на розмір Місяця атмосфера ніяк не впливає, а лише змінює його колір. Насправді ж «місячна ілюзія» це лише особливість людського сприйняття.
Найпростіший спосіб продемонструвати ілюзорність ефекту - це потримати невеликий об'єкт (наприклад, монетку) на витягнутій руці, прикривши при цьому одне око. Порівнюючи розмір об'єкта з великим Місяцем у горизонту і з маленьким Місяцем в небі, можна побачити, що відносний розмір не змінюється. Можна також зробити з аркуша паперу трубу і дивитися через неї тільки на Місяць, без оточуючих об'єктів - ілюзія зникне.


  7.Вогні святого Ельма
Першими свідками цього явища були моряки, які спостерігали вогні святого Ельма на щоглах та інших загострених предметах. Вогні святого Ельма являють собою розряд у формі пучків або китиць (або коронний розряд), який виникає на гострих кінцях високих предметів (вежі, щогли, поодинокі дерева, гострі вершини скель тощо) при великій напруженості електричного поля в атмосфері. Це досить поширене явище, яке спостерігається під час грози, а також перед і відразу після неї.

Свою назву явище отримало від імені святого Ельма (Еразма) - покровителя моряків у католицькій релігії. Вважалось, що поява вогнів святого Ельма обіцяла морякам надію на успіх, а під час небезпеки - і на порятунок.


8.Вогняний смерч
Вогняний смерч утворюється, коли розрізнені осередки пожеж об'єднуються в одне величезне багаття. Повітря над ним нагрівається, його щільність зменшується і багаття піднімається вгору. Знизу на його місце надходять холодні маси повітря з периферії, яке також нагрівається. Виникає ефект димової труби. Напір гарячого повітря досягає ураганних швидкостей, а температура піднімається до 1000˚С. Все горить або плавиться, при чому все, що знаходиться поруч, «всмоктується» через вітер у вогонь. І так до тих пір, поки не згорить все, що може горіти.
Прикладом вогняних смерчів являються катастрофічні лісові пожежі в Йєллоустонському національному парку (США), які відбувались у 1988 році. Це був найбільш сухий рік за весь час спостережень і літо в тому році також було неймовірно сухим. В день найбільшого поширення пожеж, 20 серпня, згоріло 610 км² лісу. За весь час пожежі торкнулися 3213 км² лісу, що становить приблизно 36% площі парку. Пожежі припинилися восени, коли пішли дощі. Їх сліди по сьогодні добре помітні в парку.

9.Світлові стовпи
Природа цих явищ схожа з умовами, які викликають появу гало. Власне, світові стовпи - один з найчастіших видів гало. Світловий, або сонячний, стовп являє собою вертикальну смугу світла, яка тягнеться від Сонця під час заходу або сходу.
Явище виникає, коли сонячне світло відбивається від поверхонь дрібних крижаних кристалів, які являють собою завислі у повітрі крижані пластинки або стрижні з шестикутним перетином. При падінні в повітрі ці кристали прагнуть зайняти горизонтальну позицію, і вигляд світлового стовпа залежить від їх взаємного розташування.
Такі кристали утворюються у високих перистих хмарах, найчастіше в перисто-шаруватих. При низьких температурах подібні кристали також можуть утворюватись і в більш низьких шарах атмосфери. Тому, світлові стовпи частіше спостерігаються в холодну пору року.

Світлові стовпи нерідко формуються навколо Місяця, міських вогнів і інших яскравих джерел світла. Стовпи, викликані низько розташованими джерелами світла, зазвичай набагато довші, ніж сонячні або місячні стовпи.



10.Зелений промінь
Зелений промінь - рідкісне оптичне явище, спалах зеленого світла в момент зникнення сонячного диска за горизонтом або появи його з-за обрію. Для спостереження зеленого променя необхідні три умови: відкритий горизонт (в степу або на морі за відсутності хвиль), чисте повітря і вільна від хмар сторона горизонту, де відбувається захід або схід Сонця.
Фізика цього явища полягає в тому, що заломлення сонячних променів в атмосфері супроводжується їх дисперсією, тобто розкладанням в спектр. В результаті накладання кольорових променів від окремих точок сонячного диска центральна частина його залишиться білою (а точніше, за рахунок розсіювання весь диск стає червоним) і лише верхній та нижній краї диска стають відповідно синьо-зеленим та помаранчево-червоним. Але оскільки ці смужки дуже тонкі, а наше світило яскраве, побачити їх вдається лише тоді, коли яскрава частина знаходиться за горизонтом.

Власне, коли Сонце занурюється за горизонт, останнім променем ми мали б побачити фіолетовий. Однак короткохвильові промені - фіолетові, сині, блакитні - на довгому шляху в атмосфері настільки сильно розсіюються, що не доходять до земної поверхні. Крім того, до променів цієї частоти спектра око людини менш чутливе. Саме тому останній промінь сідаючого Сонця має яскравий смарагдовий колір.

 Відео.

  Тести.

Висновок.

 Практичне значення оптики і її вплив на інші галузі знання виключно великі. Область явищ, що вивчається фізичною оптикою, вельми обширна. Оптичні явища найтіснішим чином пов'язані з явищами, що вивчаються в інших розділах фізики, а оптичні методи дослідження відносяться до найбільш тонким і точним. Тому недивно, що оптиці впродовж тривалого часу належала провідна роль в дуже багатьох фундаментальних дослідженнях і розвитку основних фізичних переконань. Досить сказати, що обидві основні фізичні теорії минулого сторіччя - теорія відносності і теорія квантів - зародилися і в значній мірі розвинулися на грунті оптичних досліджень. Винахід лазерів відкрив нові щонайширші можливості не тільки в оптиці, але і в її застосуваннях в різних галузях науки і техніки. 

 Джерела інформації :

1. https://works.doklad.ru/view/bQ3hDV_Ksds/all.html
2. http://www.eco-live.com.ua/content/blogs/15-divovizhnikh-yavishch-prirodi 
3. http://ddpu.edu.ua/fizmatzbirnyk/2019/pp178-187.pdf
4. http://svitlana-breus.kiev.sch.in.ua/dlya_uchniv/citati_ta_aforizmi/

 Література:

• Полярне сяйво. Білий М. У., Скубенко А. Ф. Загальна фізика. Оптика. — К.: Вища школа, 1987
• Брегг У. Мир света. Мир звука. — М.: Наука, 1967
• Булат В. Л. Оптические явления в природе. — М.: Просвещение, 1974
• Бушок Г. Ф., Півень Г. Ф. Курс фізики. Частина друга. — К.: Вища школа, 1983
• Гончаренко С. У. Фізика. 10 клас. — К.: Освіта, 1996
• Грабовський Р. Н. Курс физики. — М.: Высшая школа, 1980
• Зверева С. В. В мире солнечного света. — М.: Просвещение, 1988
• Зисман Г. Ф., Тодес О. М. Курс общей физики. Том III. — M.: Наука, 1972
• Ивенс Ф. М. Введение в теорию света. — М.: Наука, 1976
• Ю. Калитеевский Н. И. Волновая оптика. -М.: Наука, 1971
• Кучерук I.M., Дущенко В. П. Загальна фізика. Оптика. Квантова фізика. — К.: Вища школа, 1991.
• Ландсберг Г. С. Общий курс физики. Оптика. — М.: Просвещение, 1977
• Минарт М. Свет и цвет в природе. — М.: Мир, 1969
• Рыдник В. И. Многоцветие спектров. — М.: Детская литература, 1979
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика. — М.: Наука, 1980. Іб. Тарасов Л. В. Физика в природе. — М.: Просвещение, 1988
• Данлогг «Абетка за зоряним небом» 1990 р.