Световые явления в природе

 

 

 

 

 

 

 

 

       Реферат  по физике           

      по теме: «Световые явления в природе»

                  ученицы 8  «Л 1» класса

 

 

                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                 2008г.

                                 

 

 

Вступление                                                                                                     1

 

Почему небо голубое, а закат – красный.                                                2

   Опыт Тиндаля                                                                                              2    

   Рассеяние света                                                                                            2    

   Флуктуация воздуха                                                                                    3

 

Зелёный луч                                                                                                                 4

 

«Слепая» полоса                                                                                           5

 

Рефракция                                                                                                      5

 

Гало                                                                                                                  6

   Ледяные кристаллы в облаках                                                                    6 

   Гало в Антарктиде                                                                                       6 

 

Миражи                                                                                                           7    

   Верхние миражи                                                                                           7   

   «Призрачные» земли                                                                                    7

   «Летучий голландец»                                                                                   8

   Нижние миражи                                                                                            8 

   Боковые миражи                                                                                           9

   Фата-Моргана                                                                                               9

 Радуга                                                                                                              9

   Туманная радуга                                                                                          10

   Лунная радуга                                                                                              10

 

Полярные сияния                                                                                         11

   Виды полярных сияний                                                                               11

   Влияние полярного сияния                                                                         12

 

Заключение                                                                                                    13

 

Список литературы                                                                                      14

 

 

 

 

 

 

 

 

  Сколько в природе удивительного! Особенно необычно и завораживающе выглядят световые явления. С древнейших времён люди воспринимали это как чудо, связывая необъяснимое с мистическими силами или с богами.

  Мне стало интересно: ведь есть же объяснение всем этим необычным явлениям. И я решила, по-новому, с физической точки зрения взглянуть на некоторые световые явления и найти ответы на многие интересующие вопросы.

    Солнце - источник энергии для жизни растений и животных. Оно создаёт ветры, нагревая огромные массивы суши и воздушные массы над ними, и служит движущей силой круговорота воды в природе, поднимая водяные пары в атмосферу. Солнце - жизненно важная составляющая окружающей среды, без которой жизнь на Земле была бы невозможна.

     Солнечные лучи освещают весь земной шар. Прекрасен мир солнечного света. Он доставляет радость всем живущим на Земле. Мир солнечного света огромен, разнообразен, неисчерпаем.

     Небосвод бесконечно прекрасен, также прекрасно и удивительно выглядят световые явления: закат, «слепая полоса», зелёный луч, радуга, северное сияние, гало, миражи. В этом реферате будут рассмотрены явления, неразрывно связанные с Солнечным светом, многие чудеса природы будут объяснены.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

                 Почему небо голубое, а закат – красный.

     Солнце... Уже в древнейшие времена люди понимали, что без солнечных лучей жизнь на Земле была бы невозможна. Они называли солнце "началом жизни", обожествляли его, поклонялись ему. Во все времена закат вызывал у людей печаль, страх, тревогу, но чаще солнечный закат навеивает лёгкую грусть, граничащую с умиротворением. Наблюдаемая картина заката солнца зависит всякий раз от состояния атмосферы и в существенной мере определяется типом и формой облаков, подсвечиваемых лучами заходящего солнца. Поэтому один закат так не похож на другой. И всегда солнечные закаты необычайно красивы.

     Прежде всего, бросается в глаза красноватый цвет заходящего Солнца и такой же цвет неба вблизи него. У самой линии горизонта он краснее, а в верхней части диска переходит в цвет более светлых тонов.

 

                                               Опыт Тиндаля.

     Небо имеет голубой цвет, а цвет заходящего солнца становится красным. В обоих случаях причина одна - рассеяние солнечного света в земной атмосфере. Это можно объяснить, если предположить, что синий свет рассеивается сильнее, чем красный. Это было доказано в 1869 г. когда Дж. Тиндаль выполнил свой знаменитый опыт. Этот опыт совсем не трудно воспроизвести. Возьмём аквариум прямоугольной формы, наполним его водой и направим на стенку аквариума слабо расходящийся узкий пучок света от диапроектора. Опыт должен проводиться в затемнённом помещении. Для усиления рассеивания светового пучка при его прохождении через аквариум добавим в воду немного молока. Содержащиеся в молоке частички жира не растворяются в воде; они находятся во взвешенном состоянии, и способствую рассеянию света. Можно наблюдать голубоватый оттенок у рассеянного света. Свет же, прошедший сквозь аквариум, приобретает красноватый оттенок. Итак, если смотреть на световой пучок в аквариуме сбоку, он представляется голубоватым, а с выходного торца - красноватым. Это можно объяснить тем, что при прохождении белого светового пучка через рассеивающую среду из него рассеивается в основном "синий компонент" поэтому в выходящем из среды пучке начинает преобладать "красный компонент".

 

                                            Рассеяние света.

     В 1871 г. Дж. Стретт именно так объяснил результаты опытов Тиндаля. Он построил теорию рассеяния световых волн на частицах, размеры которых много меньше длины световой волны. Установленный Релеем закон утверждает: Интенсивность рассеянного света пропорциональна четвёртой степени частоты света, или, иначе говоря, обратно пропорциональна четвёртой степени длины световой волны.

     Если применить закон Рэлея к рассеянию солнечного света в Земной атмосфере, то нетрудно объяснить и голубой цвет дневного неба, и красный цвет солнца при восходе и закате. Поскольку интенсивнее рассеиваются световые волны с более высокими частотами, то, следовательно, спектр рассеянного света буде сдвинут в сторону более высоких частот, а спектр света, остающегося в пучке, после того как испытавший рассеяние свет покинул пучок, будет сдвинут в обратную сторону - к более низким частотам. В первом случае белый цвет становится голубым, а во втором - красноватым. Глядя на дневное небо, наблюдатель воспринимает свет, рассеянный в атмосфере; согласно закону Рэлея, спектр этого света сдвинут в сторону более высоких частот, отсюда голубой цвет неба. Глядя на солнце, наблюдатель воспринимает свет, прошедший через атмосферу без рассеяния; спектр этого цвета будет сдвинут к низким частотам. Чем ближе солнце к линии горизонта, тем более длинный путь в атмосфере проходят световые лучи, прежде чем попадут к наблюдателю, тем в большей мере сдвигается их спектр. В результате заходящее и восходящее солнце мы видим в красных тонах. Вполне понятно также, почему нижняя часть заходящего солнечного диска выглядит более красной, чем его верхняя часть.

     Основную роль играет зависимость интенсивности рассеяния света от его частоты. Но какова природа тех центров, на которых рассеиваются световые волны? Первоначально думали, что роль таких центров выполняют мельчайшие пылинки и капельки воды, но это не объясняет чудесного голубого цвета неба в высокогорных районах, где очень чистый и сухой воздух.

    

                                     Флуктуация воздуха.

     В 1899 г. Рэлей выдвинул гипотезу, по которой центрами, рассеивающими свет, являются сами молекулы воздуха. В первой половине ХХ века, благодаря работам М. Смолуховского, А. Эйнштейна и Л. И. Мандельштама, было установлено, что в действительности рассеяние света происходит не на самих молекулах воздуха, а на несколько необычных объектах, возникающих вследствие хаотичного движения теплового движения молекул, - на флуктуациях плотности воздуха, т. е. случайно возникающих микроскопических сгущениях и разряжениях воздуха. На рисунке 1 а) показано распределение молекул воздуха в пространстве в определенный момент времени. Мы видим, что некоторые ячейки оказываются почти пустыми, а некоторые относительно плотно заселены молекулами. Это есть следствие хаотичного теплового движения молекул воздуха. В результате плотность атмосферного воздуха будет случайным образом изменятся (флуктуировать) от одной ячейки к другой. Ясно, что в иной момент времени уже иные ячейки окажутся более или менее заселёнными, но по прежнему плотность воздуха будет случайно изменяться. Можно пояснить понятие флуктуации плотности воздуха и другим образом. Сосредоточим внимание не на каком-либо определённом моменте времени, а на некоторой произвольно выбранной ячейке пространства. С течением времени число молекул в ячейке будет флуктуировать, например, так, как это показано на рисунке 1 б) где рассмотрены несколько разных моментов времени. Проще говоря, плотность воздуха в данной точке будет случайно изменяться с течением времени. Вот эти локальные неоднородности плотности воздуха и являются теми рассеивающими центрами, которые обуславливают голубой цвет дневного неба и красный цвет заходящего солнца. Наличие в воздухе мелкой пыли и капелек воды приводят к дополнительному рассеянию и в какой-то степени влияет на цвет неба и заката. Однако первопричина заключается в рассеянии света на флуктуациях плотности воздуха. Характер этих флуктуаций в значительной мере зависит от состояния атмосферы: температуры различных слоёв воздуха, характера и силы ветра. Именно поэтому в тихую ясную погоду закат золотистый, а в ветреную - багровый.

 

                                         Зелёный луч

   Удивительное зрелище - зелёный луч. Яркий зелёный свет  вспыхивает на несколько секунд, когда почти весь солнечный  диск скрылся за горизонтом. Это можно увидеть в такие вечера, когда Солнце вплоть до самого заката ярко светит и почти не изменяет своего цвета. Важно, чтобы горизонт имел отчётливую линию без всяких неровностей: леса, строений и т. п. Этих  условий легче всего добиться на море.

     Возникновение зеленого луча можно объяснить, если принять во внимание изменение показателя преломления с частотой света. Обычно показатель преломления растет с увеличением частоты. Лучи с более высокой частотой преломляются сильнее. Значит, сине-зеленые   лучи   претерпевают более сильную рефракцию по сравнению с красными лучами

     Допустим, что рефракция света в атмосфере есть, а вот рассеяния света нет. В этом случае верхний и нижний края солнечного диска вблизи линии горизонта должны были бы быть окрашенными в цвета радуги. Пусть для простоты в спектре солнечного света имеются всего два цвета — зеленый и красный; «белый» солнечный диск можно рассматривать в данном случае в виде наложенных друг на друга зеленого и красного дисков. Рефракция света в атмосфере приподнимает над горизонтом зеленый диск в большей степени, чем красный. Верхний край солнечного диска был бы зеленым, а нижний красным; в центральной же части диска наблюдалось бы смешение цветов, т. е. наблюдался бы белый цвет.

     В действительности же нельзя не учитывать рассеяние света в атмосфере. Как мы уже знаем, оно приводит к тому, что из светового пучка, идущего от солнца, выбывают более эффективно лучи с более высокой частотой. Так что зеленой каемки сверху диска мы не увидим, а весь диск будет выглядеть не белым, а красноватым. Если, однако, почти весь солнечный диск ушел за горизонт, остался лишь самый верхний его краешек, и при этом стоит ясная и тихая погода, воздух чист (так что рассеяние света минимально), то в этом случае мы можем увидеть ярко-зеленый край солнца вместе с россыпью ярких, зеленых лучей. И всё-таки мы увидим зелёный, т. К. синий рассеялся в атмосфере.

 

                                «Слепая» полоса

     Ёще одно удивительное явление: иногда Солнце кажется заходящим не за чётко просматриваемую линию горизонта, а за некоторую невидимую линию, находящуюся над горизонтом (рисунок 2 а). Интересно, что это явление наблюдается в отсутствие какой либо облачности. Если быстро подняться на вершину холма, то можно наблюдать ещё боле странную картину: теперь солнце заходит за линию горизонта, но при этом солнечный диск оказывается как бы перерезанным горизонтальной слепой полосой. Солнце постепенно опускается всё ниже, а положение слепой полосы по отношению к линии горизонта сохраняется неизменным (рисунок 2 б).