Оптические явления. Линзы - файл n1.doc

Оптические явления. Линзы
скачать (3314 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3314kb.20.11.2012 06:49скачать

n1.doc

  1   2
Учреждение образования

Государственная общеобразовательная средняя школа №29

г.Витебска

Оптические явления.

Линзы.



Выполнила

г. Витебск, 2006

Оптика

Прямолинейное распространение света

Законы отражения света

Обратимость хода лучей

Почему распространяется свет?

Преломления света

Законы преломления света

Абсолютный показатель преломления

Оптическая плотность среды

Полное отражение света

Виды линз

Основные линии и точки линзы

Оптическая сила линз

Формула тонкой линзы

Увеличение

Построение изображения в тонкой линзе

Построения изображения в рассеивающей линзе

Оптические явления в атмосфере

Оптические явления в атмосфере. Мираж

Миражи в творчестве поэтов

Жизнь замечательных людей. Роберт Вуд

Как Роберт Вуд сделал мираж

Фотоаппарат

Строения глаза

Изображение в глазе

Очки.

Интересное

Новости

Вопросы

Тесты

Кроссворд

Чайнворд

Ответы к кроссворду

Ответы к чайнворду

Оптика.

Оптика – это раздел физики в котором изучаются свойства света его физическая природа и взаимодействие с веществом.

Свет – это электромагнитные волны с длинами волн от 4*10-7(м) до 8*10-7(м).

Свет – это электромагнитные волны узкого диапазона с частотами от 1,5*1011 Гц до 3*1016 Гц (видимый, инфракрасный, ультрафиолетовый свет).

Прямолинейность распространения света.

Огромное количество данных свидетельствует о том, что свет при самых различных обстоятельствах распространяется прямолинейно. Предметы, освещаемые точечными источниками света, например солнцем, отбрасывают четко очерченные тени. Карманный фонарик даёт узкий пучок света. Фактически о положении окружающих нас предметов в пространстве мы судим, подразумевая, что свет от объекта попадает в наш глаз по прямолинейным траекториям. Наша ориентация во внешнем мире целиком основана на предположении о прямолинейном распространении света.

Это разумное допущение привело к представлению о световых лучах. .

Световой луч - это прямая, вдоль которой распространяется свет. Условно лучом называют узкий пучок света. Если мы видим предмет, то это означает, что нам в глаз попадает свет от каждой точки предмета. Хотя световые лучи выходят из каждой точки по всем направлениям, лишь узкий пучок этих лучей попадает в глаз наблюдателя (Рис. ). Если наблюдатель сдвинет голову чуть в сторону, то в его глаз от каждой точки предмета будет попадать уже другой пучок лучей.

Закон прямолинейного распространения света : в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Доказательством этого закона является образование тени и полутени.

Существует несколько опытных доказательств этого закона. Рассмотрим одно из них - образование тени.

Если мы хотим, чтобы свет от лампы не попадал в глаза, мы можем загородиться от него: поместить между лампой и глазами газету, руку или надеть на лампу абажур. Если бы свет распространялся не по прямым линиям, то он мог бы обогнуть препятствие и попасть к нам в глаза. Например от звука нельзя "загородиться" рукой, он обогнёт это препятствие и мы будем его слышать.

Таким образом, описанный пример показывает, что свет не огибает препятствие, а распространяется прямолинейно.

Рассмотрим это явление подробнее на опыте.

Возьмём маленький источник света, например лампочку от карманного фонарика S. Расположим на некотором расстоянии от неё экран, то есть в каждую его точку попадает свет. Если между точечным источником света S и экраном разместить непрозрачное тело, например металлический шар (рисунок справа), то на экране увидим темное изображение очертаний этого тела - тёмный круг, поскольку за ним образовалась тень - пространство, куда не попадается свет от источника S. Если бы свет распространялся не прямолинейно и луч не был бы прямой линией, то тень могла бы не образоваться или имела бы другую форму и размеры.

Но чётко ограниченную тень, которая получена в описанном опыте, мы видим в жизни не всегда. Такая тень образовалась, потому что в качестве источника света мы использовали лампочку, размеры спирали которой намного меньше, чем расстояние от неё до экрана.

Источник света, отвечающий этому условию, называют точечным источником.

Если в качестве источника света взять большую, сравнительно с препятствием, лампу, размеры спирали которой сравнимы с расстоянием от неё до экрана, то вокруг тени на экране образуется еще и частично освещенное пространство - полутень (рисунок слева).

Образование полутени не противоречит закону прямолинейного распространения света, а, наоборот, подтверждает его. Ведь в данном случае источник света нельзя считать точечным. Он состоит из множества точек и каждая из них испускает лучи. Поэтому на экране имеются области, в которые свет от одних точек источника попадает, а от других не попадает. Таким образом эти области экрана освещены лишь частично, там и образуется полутень. В центральную область экрана не попадает свет ни от одной точки лампы, там наблюдается полная тень.

Очевидно, что если наш глаз находился бы в области тени, то мы не увидели бы источник света. Из области полутени мы видели бы часть лампы. Это мы и наблюдаем при солнечном или лунном затмении.

Законы отражения света.

Законы отражения света установлены экспериментально. Направим узкий пучок света на плоскую поверхность. Пусть MN – граница раздела двух сред, АВ – падающий луч; ОВ – перпендикуляр, проведенный в точку падения луча, ВС – отраженный луч. Угол между падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к точке падения, называется углом падения луча ( обозначим его - ) , а угол между отраженным лучом и этим перпендикуляром называется углом отражения (обозначим его ). Угол падения равен углу отражения – 1й закон отражения света.

Луч падения, луч отражения и перпендикуляр к границе раздела двух сред, поставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости – 2й закон отражения света.

Он был известен ещё древним грекам, и вы можете проверить его сами, посветив в затемнённой комнате лучом света от фонарика на зеркало.

  Обратимость хода лучей.

Из законов отражения света вытекает обратимость хода лучей: если падающий луч пустить в направлении СВ, то отраженный луч пойдёт в направлении ВА.

Почему преломляется свет?
То, что при переходе из одной среды в другую луч света преломляется, многим представляется странным капризом природы. Кажется непонятным, почему свет не сохраняет в новой среде первоначального своего направления, а избирает лома­ный путь. Кто так думает, тот, вероятно, с удовлетворением узнает, что луч света претерпевает, в сущности, то же самое, что происходит и с марширующей колонной бойцов, пересе­кающей границу между почвой, удобной для ходьбы, и поч­вой неудобной. Вот что говорит об этом Джон Гершель, зна­менитый астроном и физик прошлого века.

«Представьте себе отряд солдат, идущий по местности, разде­ленной прямой границей на две полосы, из которых одна гладкая, ровная и удобная для ходьбы, другая — кочковатая, затруднитель­ная, гак, что ходьба по ней не может совершаться столь быстро. Предположим сверх того, что фронт отряда составляет угол с погра­ничной линией между двумя полосами, так что солдаты достигают этой границы не все одновременно, а последовательно один за дру­гим. Тогда каждый солдат, переступив границу, очутится на почве, по которой он не может более подвигаться так быстро, как до того времени. Он не сможет уже держаться на одной линии с остальной частью шеренги, еще находящейся на лучшей почве, и будет от нее отставать с каждой секундой все больше. Так как каждый солдат, достигая границы, испытывает одинаковое затруднение в ходьбе, то если солдаты не нарушат строя, не рассеются, а будут продолжать маршировать правильной колонной, вся та часть колонны, которая переступила границу, будет неизбежно отставать от остальной и составит с ней поэтому тупой угол в точке пересечения границы. И так как необходимость ходить в ногу, не перебивая дороги друг другу, заставит каждого солдата шагать прямо перед собой, под прямым углом к новому фронту, то путь, который он пройдет по переходе границы, будет, во-первых, перпендикулярен к новому фронту, а во-вторых, так относиться к тому пути, какой был бы пройден в случае отсутствия замедления, как новая скорость к прежней».

В малом виде вы можете воспроизвести это наглядное подобие преломления света у себя на столе. Накройте половину стола скатертью (рис. 109) и, слегка наклонив стол, за­ставьте скатываться но нему пару колесиков, наглухо поса­женных на общую ось (например, от сломанного детского па-ровозп или другой игрушки). Если направление движения колес и край скатерти составляют прямой угол, преломления пути не происходит. Вы имеете в этом случае иллюстрацию оптического правила: луч, перпендикулярный к плоскости раздела сред, не преломляется. При направлении, наклонном к краю скатерти, путь колес изламывается на этом краю, т. е. на границе между средами с различной скоростью движения в них. Легко заметить, что при переходе из части стола, где скорость движения больше (непокрытая часть), в ту часть, где скорость меньше (скатерть), направление пути («луч») при­ближается к «перпендикуляру падения». В обратном случае наблюдается удаление от этого перпендикуляра.


Из этого можно, между прочим, почерпнуть важное ука­зание, вскрывающее сущность рассматриваемого явления, а именно, что преломление обусловлено различием скорости света в обеих средах. Чем больше различие в скорости, тем значительнее преломление; так называемый «показатель преломления», характеризующий величину излома лучей, есть не что иное, как отношение этих скоростей. Когда вы читаете, что показатель преломления при переходе из воздуха в воду есть 4/3 , то вы, вместе с тем, узнаёте, что свет движется в воз­духе примерно в 1,3 раза скорее, чем в воде.
А в связи с этим находится и другая поучительная осо­бенность распространения света. Если в случае отражения световой луч следует кратчайшим путем, то в случае пре­ломления он избирает скорейший путь: никакое другое на­правление не приводит луч так скоро к «месту назначения», как этот изломанный путь.


Явление преломления света.

Если опустить в стакан с водой карандаш (рисунок слева), то он покажется поломанным. Это можно объяснить только тем, что лучи света, идущие от карандаша, имеют в воде другое направление, чем в воздухе, т. е. происходит преломления света на границе воздуха с водой. Когда свет переходит из одной среды в другую, на границе раздела происходит отражение части падающего на неё света. Остальная часть света проникает в новую среду. Если свет падает под углом к поверхности раздела, отличным от прямого, от на границе световой луч изменяет своё направление. Это называется преломлением света. Явление преломления света наблюдается на границе двух прозрачных сред и объясняется разной скоростью распространения света в различных средах. В вакууме скорость света составляет приблизительно 300000 км/с, во всех других средах она меньше. То есть, изменение направления распространения света во время перехода сквозь границу раздела двух сред называют преломлением света.

На рисунке ниже показан луч, переходящий из воздуха в воду. Угол называется углом падения луча, а - углом преломления. Обратите внимание на то, что в воде луч приближается к нормали. Так происходит всякий раз, когда луч попадает в среду, где скорость света меньше. Если же свет распространяется из одной среды в другую, где скорость света больше, то он отклоняется от нормали.

Преломлением обусловлен целый ряд широко известных оптических иллюзий. Например, наблюдателю на берегу, кажется, что у человека, зашедшего в воду по пояс, ноги стали короче.

Законы преломления света.

Пусть MN -граница раздела двух прозрачных сред, например, воздуха и воды, АО-падающий луч, ОВ - преломленный луч, -угол падения, -угол преломления, -скорость распространения света в первой среде, - скорость распространения света во второй среде .

И закон преломления: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления является постоянной величиной для данных двух сред:

, где - относительный показатель преломления (показатель преломления второй среды относительно первой). Второй закон преломления света очень напоминает второй закон отражения света.

2й закон преломления: падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный в точку падения луча, лежит в одной плоскости.

Абсолютный показатель преломления.

Скорость распространения света в воздухе почти не отличается от скорости света в вакууме:  с м/с.

Если свет попадает из вакуума в какую-нибудь среду, то

где n - абсолютный показатель преломления данной среды. Относительный показатель преломления двух сред связанный с абсолютными показателями преломления этих сред, где и - соответственно абсолютные показатели преломления первой и второй сред.

Абсолютные показатели преломления света:

Вещество

Алмаз 2,42. Кварц 1,54. Воздух (при нормальных условиях) 1,00029. Этиловый спирт 1,36. Вода 1,33. Лёд 1,31. Скипидар 1,47. Плавленый кварц 1,46. Крон 1,52. Лёгкий флинт 1,58. Хлорид натрия (соль) 1,53.

(Как мы увидим в дальнейшем, показатель преломления n несколько меняется в зависимости от длины волны света – постоянное значение он сохраняет только в вакууме. Поэтому приведённые в таблице данные соответствуют желтому свету с длинной волны .)

Например, так как для алмаза , свет распространяется в алмазе со скоростью

Оптическая плотность среды.

Если абсолютный показатель преломления первой среды меньше абсолютного показателя преломления второй среды, то первая среда имеет меньшую оптическую плотность, нежели вторая и > . Оптическую плотность среды не следует путать с плотностью вещества.

Полное отражение света.

Красивое зрелище представляет собой фонтан, у которого выбрасываемые струи освещаются изнутри. (Это можно изобразить в обычных условиях, проделав следующий опыт№1). Объясним это явление чуть ниже. При переходе света из оптически более густой среды в оптически менее густую наблюдается явление полного отражения света. Угол преломления в этом случае больший по сравнению с углом падения (рис. 141). При увеличении угла падения световых лучей от источника S на поверхность раздела двух сред МN наступит такой момент, коли преломленный луч пойдет вдоль границы раздела двух сред, то есть = 90°. Угол падения , которому отвечает угол преломления = 90°, называют граничным углом полного отражения. Если превысить этот угол, то лучи не выйдут из первой среды вообще , будет наблюдаться только явление отражения света от границы раздела двух сред. Из первого закона преломления:

Так как , то .

Если вторая среда - воздух (вакуум), то где n - абсолютный показатель преломления среды, из которой идут лучи.

Объяснение явления наблюдаемого вами в опыте довольно простое. Луч света проходит вдоль струи воды и попадает на изогнутую поверхность под углом, большим предельного, испытывает полное внутреннее отражение, а затем опять попадает на противоположную сторону струи под углом опять больше предельного. Так луч проходит вдоль струи изгибаясь вместе с ней.

Но если бы свет полностью отражался внутри струи, то она не была бы видна извне. Часть света рассеивается водой, пузырьками воздуха и различными примесями, имеющимися в ней, а также вследствие неровностей поверхности струи, поэтому она видна снаружи.

Если вторая среда - воздух (вакуум), то где n - абсолютный показатель преломления среды, из которой идут лучи.

Объяснение явления наблюдаемого вами в опыте довольно простое. Луч света проходит вдоль струи воды и попадает на изогнутую поверхность под углом, большим предельного, испытывает полное внутреннее отражение, а затем опять попадает на противоположную сторону струи под углом опять больше предельного. Так луч проходит вдоль струи изгибаясь вместе с ней.

Но если бы свет полностью отражался внутри струи, то она не была бы видна извне. Часть света рассеивается водой, пузырьками воздуха и различными примесями, имеющимися в ней, а также вследствие неровностей поверхности струи, поэтому она видна снаружи.

Виды линз.

Линзой называется прозрачное тело ограниченное сферическими поверхностями. Отражение и преломление света используют для того, чтобы изменять направление лучей или, как говорят, управлять световыми пучками. На этом основано создание специальных оптических приборов, таких, например, как прожектор, лупа, микроскоп, фотоаппарат и другие. Главной частью большинства из них является линза. Например, очки - это линзы, заключенные в оправу. Уже этот пример показывает, какое значение имеет для человека применение линз.

Например на первом рисунка колба такая, какой мы её видим в жизни,

а на второй, если будем смотреть на неё через лупу (та же линза).

В оптике чаще всего используют сферические линзы. Такие линзы представляют собой тела, изготовленные из оптического или органического стекла, ограниченные двумя сферическими поверхностями.

На этом рисунке изображены сечения двух линз с центрами в точке О. Первая линза, изображенная на рисунке, называется выпуклой, вторая - вогнутой. Прямая, проходящая через центры С1 и С2 сферических поверхностей, ограничивающих линзу, называется оптической осью линзы. Точку О, лежащую на оптической оси в центе указанных линз, называют оптическим центром линзы.

 

Слева линза – выпуклая,

справа - вогнутая.

 

На чертежах собирающие линзы обозначают так, как показано на рисунке слева, а рассеивающие - на рисунке справа.



Среди выпуклых линз различают: двояковыпуклые, плосковыпуклые и вогнуто-выпуклые (соответственно на рис.). У всех выпуклых линз середина разреза шире, чем края. Эти линзы называют собирающими.

Среди вогнутых линз есть двояковогнутые, плоско- вогнутые и выпукло-вогнутые (соответственно на рис.). У всех вогнутых линз середина сечения уже, чем края. Эти линзы называют рассеивающими.

Ограничимся рассмотрением двояковогнутых (слева) и двояковыпуклых (справа) линз.

Будем рассматривать линзы, у которых одинаковые радиусы кривизны поверхностей и толщина сечения которых значительно меньше, чем радиусы кривизны (тонкие линзы).

Основные линии и точки линзы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чтобы построить изображение, которое дают линзы, необходимо знать некоторые точки и линии. Проходя через оптический центр линзы лучи не преломляются. Пучок параллельных лучей, которые падают на линзу вдоль главной оптической оси, после преломления в линзе собирается в точке, которая называется главным фокусом, - точка F на втором рисунке. Главных фокусов у линзы два, с обоих сторон на одинаковом расстоянии от оптического центра (рисунок второй и третий). Если источник света находится в фокусе, то после преломления в линзе лучи будут параллельны главной оптической оси.

Оптическая сила линзы.

Для характеристики линз используют величину, которая называется оптической силой.

Оптическая сила линзы — величина, обратная к фокусному расстоянию линзы , выраженному в метрах.

Обозначают оптическую силу буквой D. За единицу оптической силы взят диоптрий (дптр).

Один диоптрий - это оптическая сила линзы, фокусное расстояние которой равно 1 м.

Оптическую силу собирающих линз считают положительной, а рассеивающих линз – отрицательной.

Формула тонкой линзы.

Формула тонкой линзы связывает между; собой три величины: расстояние от предмета до линзы d, расстояние от линзы до изображения f и фокусное расстояние линзы F: В формуле тонкой линзы фокусное расстояние ОF обозначается буквой F. Если линза собирающая, то> 0, если линза рассеивающая, то перед ставится знак «минус». Если изображение действительное, то > 0; если изображение воображаемое, то перед ставиться знак «минус». Все величины в формулу линзы подставляются в метрах.

Увеличение .

Увеличением называют величину, которая определяется отношением размеров изображения Н к размерам предмета h.

Обозначают увеличение буквой Г :

Используя построение изображения в линзе, можно доказать, что увеличение можно определить также по формуле:

Построение изображений в тонкой собирающей линзе.

Для построения изображения в линзе важную роль играет расстояние предмета от линзы, которое обозначают буквой d . Фокусное расстояние, как и сам фокус, обозначают буквою F. Введем понятие двойного фокусного расстояния, которое обозначают 2F. Пусть предмет (стрелка АВ) находится за двойным фокусным расстоянием от собирающей линзы(рис. слева): d > 2 F. Чтобы построить изображение точки В, используем два «удобные» луча: первый луч проведем параллельно к главной оптической оси, после преломления он пройдёт через главный фокус; другой луч проходит через оптический центр линзы не преломляясь. На пересечении преломленных лучей находится точка В1 — изображение точки В. Поскольку стрелка АВ перпендикулярна к главной оптической оси, то её изображение также перпендикулярно к главной оптической оси.

Построение изображения в рассеивающей линзе.

Предмет АВ находится за фокусом рассеивающей линзы (рис. справа). Снова используем «удобные» лучи: первый луч идёт параллельно к г лавной оптической оси и преломляется линзой так, что его продолжение проходит через фокус (пунктир на рисунке); второй луч, не преломляясь, проходит через оптический центр линзы.

ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ

Атмосфера нашей планеты представляет собой достаточно интересную оптическую систему, показатель преломления кото­рой уменьшается с высотой вследствие уменьшения плотности воздуха. Таким образом, земную атмосферу можно рассматри­вать как «линзу» гигантских размеров, повторяющую форму Земли и имеющую монотонно изменяющийся показатель прелом­ления.

Это обстоятельство приводит к появлению целого ряда опти­ческих явлений в атмосфере, обусловленных преломлением (реф­ракцией) и отражением (рефлексией) лучей в ней.







Рассмотрим некоторые наиболее существенные оптические явления в атмосфере.




Атмосферная рефракция — явление искривления световых лучей при прохождении света через атмосферу. Интересно, что первые упоминания о рефракции света в атмосфере относятся к I в. н. э. В труде греческого ученого Клеомеда обсуждается «искривление» светового луча, прошедшего сквозь влажные слои воздуха. Древнегреческий астроном Клавдий Птолемей (II в. н. э.) указывал, что рефракция должна отсутствовать для лучей, идущих от объекта, находящегося в зените, и увеличи­ваться по мере приближения объекта к горизонту. Арабский ученый Альхазен (XI в.) пытался вычислить высоту земной атмосферы по увеличению дневной части суток вследствие атмо­сферной рефракции.

Почему световые лучи искривляются в земной атмосфере? С высотой плотность воздуха (значит, и показатель преломле­ния) убывает. Представим себе, что атмосфера состоит из опти­чески однородных горизонтальных слоев, показатель преломле­ния в которых меняется от слоя к слою. При движении оптического луча в такой системе он будет в соответствии с законом преломления «прижиматься» к перпендикуляру. В реальности плотность атмосферы уменьшается не скачками, а непрерывно, что приводит к плавному искривлению луча при прохождении атмосферы. В результате атмосферной рефракции мы видим звезды, Луну, Солнце несколько выше того места, где они находятся на самом деле. По этой же причине увеличивается продолжительность дня (в наших широтах на 10—12 мин), сжимаются диски Луны и Солнца у горизонта. Интересно, что максимальный угол рефракции составляет 35' (для объектов у линии горизонта), что превышает видимый угловой размер Солнца. Из этого следует, что в момент, когда мы видим, что нижний край светила коснулся линии горизонта, на самом деле солнечный диск находится уже под горизонтом.

Мерцание звезд также связано с астрономической рефракцией света. Давно было подмечено, что мерцание наиболее заметно у звезд, находящихся вблизи линии горизонта. Воздушные потоки в атмосфере изменяют плотность воздуха с течением времени, что приводит к кажущемуся мерцанию небесного Све­тила. Космонавты, находящиеся на орбите, никакого мерцания не наблюдают.

В жарких пустынных или степных районах и в полярных областях сильный прогрев или охлаждение воздуха у земной поверхности приводит к появлению миражей: благодаря искривлению лучей становятся видимыми и кажутся близко расположенными предметы, которые на самом деле расположены далеко за горизонтом. Иногда подобное явление называется земной рефракцией. Возникновение миражей объясняется зависимостью показателя пре­ломления воздуха от температу­ры. Различают нижние и верхние миражи. Нижние миражи можно увидеть в жаркий летний день на хорошо прогретой асфальтовой дороге: нам кажется, что впереди находятся лужи, которых на самом деле нет. В данном случае мы принимаем за «лужи» зеркальное отражение лучей от неод­нородно разогретых слоев воздуха, находящихся в непосредст­венной близости от «раскаленного» асфальта. Верхние миражи отличаются значительным разнообразием: в одних случаях они дают прямое изображение, в других — перевернутое, могут быть двойными и даже тройными. Эти осо­бенности связаны с различными зависимостями температуры воздуха (показателя преломления) от высоты. Зафиксированы сверхдальние миражи (более 100 км), наиболее известный из которых — мираж в июне 1815 г. в бельгийском городе Вервье, жители которого увидели в небе войско Наполеона, готовящееся к битве при Ватерлоо. При изменении атмосферных процессов может наблюдаться переход нижнего миража в верхний и нао­борот. Это явление носит название фата-морганы и представляет собой форму миража, когда на горизонте появляются очень сложные изображения предметов, меняющиеся со временем. Вчитайтесь, как проникновенно и физически точно описал это явление русский поэт К. Д. Бальмонт:
Фата-моргана,

Замки, узоры, цветы и цвета,

Сказки, где каждая краска, черта

С каждой секундой — не та.

Фата-моргана

Явственно светит лишь тем,

Кто внимательный, рано

Утром, едва только солнце взойдет,

Глянет с высокого камня на море...

Правда ль тут будет, неправда ль

обмана,

Только роскошной цветной пеленой Быстро возникнет пред ним

над волной Фата-моргана.

Атмосферные осадки приводят к появлению в атмосфере эффектных оптических явлений, связанных с наличием большого количества одинаковых частиц. Так, во время дождя удивитель­ным и незабываемым зрелищем является образование радуги, которое объясняется явлением различного преломления (диспер­сии) и отражения солнечных лучей на мельчайших капельках воды в атмосфере. В особо удачных случаях мы можем увидеть сразу несколько радуг, порядок следования цветов в которых взаимообратен. Световой луч, участвующий в формировании радуги, испытывает два преломления и многократные отражения в каждой дождевой капле. В данном случае, несколько упрощая механизм образования радуги, можем сказать, что сферические дождевые капельки играют роль призмы в опыте

Ньютона по разложению света в спектр. Вследствие пространственной симмет­рии радуга видна в виде полуокружности с углом раствора около 42°, при этом наблюдатель должен находиться между Солнцем и каплями дождя,

спиной к Солнцу. Древние славяне считали, что радуга, возникающая после грозы, означа­ла победу бога-громовержца над злыми духами. Русский по­эт Ф. И. Тютчев, восхищенный радугой, посвятил ей следующие строки:
Как неожиданно и ярко На влажной неба синеве Воздушная воздвиглась арка с В своем минутном торжестве! О, в этом радужном виденье Какая нега для очей! Оно дано нам на мгновенье, Лови его—лови скорей!

В особо редких случаях в чистом и прозрачном воздухе можно при закате Солнца увидеть «синий» или «зеленый» луч, существование которого отмечал французский писатель-фантаст Жюль Верн: «Заметили ли Вы это явление, происходящее в то мгновение, когда лучезарное светило бросает последний свой луч, если при этом небо свободно от облаков и совершенно прозрачно? В Ваш глаз ударит не красный луч, а зеленый, дивного зеленого цвета, такого, какого ни один художник не может получить на своей палитре и какого не воспроизводит сама природа ни в разнообразных оттенках растительности, ни в цвете самого прозрачного моря».

Преломление света в кристалликах льда, сопровождающееся разложением в спектр, приводит к появлению редкого и не менее красивого оптического явления — гало (рис. 203). Оно проявля­ется в виде кругов (иногда столбов, крестов) вокруг Солнца и Луны. Для появления яркого гало необходимо достаточное количество ледяных кристаллов правильной формы.

Рис. 203. Гало



Разнообразие цветов в атмосфере объясняется закономерностями рассея­ния света на частичках различных раз­меров. Вследствие того, что синий цвет рассеивается сильнее, чем красный — днем, когда Солнце находится высоко над горизонтом, мы видим небо голу­бым. По этой же причине вблизи ли­нии горизонта (на закате или восходе) Солнце становится красным и не таким ярким, как в зените. Появление «цвет­ных» облаков также связано с рассеянием света на частичках различных разме­ров в облаке.

Оптические явления. Миражи.

Вы наверняка что-то слышали о миражах. Чаще всего о них вспоминают, когда говорят о пустыне.

Первое научное описание этого явления связано с еги­петским походом Бонапарта (1799 г.). Французский экспе­диционный корпус продвигался по пустыне к берегам Нила. Однообразие равнины нарушалось лишь небольшими воз­вышениями.

Днем, когда солнце хорошо прогревало песок, пустыня казалась затопленной водой, как при наводнении, а возвы­шенности представлялись островками среди безбрежного озера. Иллюзию дополняло отражение небосвода. Один из участников экспедиции, Гаспар Монж, объяснил это явле­ние, опираясь на законы преломления и отражения света, следующим образом. При отсутствии ветра слой воздуха у поверхности земли сильно прогревается. Его температура резко падает по мере удаления от земли (норою до 30 градусов на сантиметр). Чем выше температура, тем меньше показатель преломления воздуха, поэтому у самой земли воз-дух преломляет свет слабее, чем на высоте в несколько сантиметров. Тут-то и начинается самое удивительное.

Мы с вами привыкли к тому, что свет распространяется прямолинейно. Но па самом деле это происходит только тогда, когда показатель преломления среды, в которой распространяется свет, постоянен. На рисунке показано изменение на­правления света при прохождении его че­рез стопку стеклянных пластин различных сортов. Коэффициент преломления в них уменьшается от пластинки к пластинке. Что же в этом слу­чае происходит?

Во-первых, луч света приобретает форму ломаной ли­нии. Ее изломы - следствие того, что показатель преломле­ния от слоя к слою меняется скачками (дискретно). Если же дискретное изменение преломления заменить непрерывным, то вместо ломаной линии получится плавная кривая.

Как показано на рисунке, на границе раздела последнего и предпоследнего слоев может произойти не преломление света, а полное внутреннее отражение. В этом случае ниж­няя пластина отражает свет, как зеркало. О явлении полного внутреннего отражения можно прочитать в книге «Физи­ческий калейдоскоп», изданной ОО "белорусская ассоциа­ция «Конкурс» в 2005 юлу.

Зеркалом, в котором солдаты Бонапарта видели отра­жение холмов, был последний, расположенный у самой зем­ли, наиболее сильно нагретый слой воздуха.

Чтобы увидеть мираж, не обязательно ехать в пустыню. Мы часто встречаемся с этим явлением, порой не сознавая этого. Если в теплый солнечный день ехать на машине по шоссе, то на черном асфальте, вдали от нас, будут видны лужи... Откуда они взялись в безоблачный день? Это мираж



Миражи над морем возникаю! несколько иначе. Они вызываются не понижением температуры воздуха с высотой, как в пустыне, а повышением. В этом случае зона отражения находится над наблюдателем, и он может видеть пейзажи, находящиеся далеко за горизонтом.

Особенно сильно этот эффект проявляется над полярными морями. Во время войн морякам не раз приходилось видеть, как за много миль от них происходили морские ба талии, только все корабли погружались не в море, а в небо…

Мираж в творчестве великих поэтов

Мираж, как оптическое явление, мог бы найти отраже­ние в творчестве великих русских поэтов. Тогда известные стихи звучали бы примерно так.



Я помню чудное мгновенье,

Передо мной явилась ты

Сквозь зной песков, как наважденье,

Увидел я твои черты.

Я в детстве мог бы стать умнее,

И знаний накопить багаж.

Учил бы физику в Лицее,

То знал бы - это лишь мираж.



Белеет парус одинокий

В тумане моря голубом

Что ищет он в стране далекой?

- А он не ищет, он - фантом!
Жизнь замечательных людей. Роберт Вуд

Физик Роберт Вуд- гений физического эксперимента, человек, обладавший необыкновенно оригинальный мышлением. Он прожил долгую и удивительно счастливую жизнь. Вуд всегда занимался только тем, к чему лежала его душа.

У него была замечательная жена, хорошие дети, преданные друзья, талантливые ученики. Он никогда не жаловался на здоровье, не испытывал финансовых затруднений.

Жизнерадостный Вуд словно играл в своих лаборато­риях, делая при этом открытия.

Будучи студентом, с помощью спектроскопа он уличил хозяйку в том, что она готовила завтрак из остатков вчераш­него обеда.

Вуда интересовало, что и как видит рыба из-под воды, и он сконструировал фотокамеру " Рыбий глаз».

Что сделает человек, если в нескольких шагах от него в землю ударила молния? Вуд бежит в лабораторию, расплав­ляет несколько фунтов олова и заливает его в образовавшееся отверстие. Потом, выкопав застывший металл, он получа­ет «автограф» молнии.

Он все делал не гак, как все: его домашняя лаборатория находилась в сарае и коровнике; один из спектроскопов он назвал «могильным», потому что плиту для его основания он притащил с кладбища. Когда засорилась длинная труба другого спектроскопа, он схватил кошку, засунул ее в трубу и закрыл вход. Ей ничего не оставалось делать, как ползти на свет далекого выхода, собирая своем шерстью весь сор и паутину.

Вуд внес огромный вклад в физическую оптику. Он является и автором всемирно признанных работ по резонанс ному свечению паров и газов, и ученым, сделавшим первые фотографии в ультрафиолетовых и инфракрасных лучах, и исследователем интерференции, поляризации, дифракции.
Как Роберт Вуд сделал мираж

Чтобы устроить себе миниатюрный оазис, Роберт Вуд взял четыре плоских железных листа длиной около 4 футов (1,2 метра) и шириной 8 дюймов (0,2 метра). Из этих ли­стов он соорудил длинную плоскую горизонтальную пло­щадку, которую посыпал песком. На дальнем конце площадки было укреплено зеркало, которое отражало изобра­жение неба в окне. Ряд миниатюрных гор и несколько пальм, вырезанных из бумаги и размещенных на песке перед зер­калом, изображали горизонт пустынного ландшафта, кото­рый снизу, под железными листами, подогревался рядом маленьких газовых горелок.

Вуда интересовало: «Будет ли действовать установка в таком масштабе?» Он зажег горелки и стал наблюдать. Горы и пальмы давали отчетливый силуэт на ярком фоне неба, но вдруг перед ними у самого подножья гор появилась свер­кающая поверхность воды. Когда Вуд поднимал глаза на дюйм или два над уровнем песка, «озеро» исчезало и опять появлялось, как только взгляд приближался к поверхности «пустыни». Точно также пове­дет себя настоящий мираж, если подниматься на холм.



По мере нагревания песка «озеро» увеличивалось, и в нем появлялось отражение гор, а ког­да исследователь опускал глаза еще ниже, подножье гор исчеза­ло в кажущемся озере, как при гигантском наводнении.

Как Вы убедились, мираж можно воспроизвести даже в

домашних условиях. Так, в книге В.В. Майера «Простые

опыты по криволинейному распространению света» дано

подробное описание получения модели миража в воде. Для этого нужно взять сосуд с белым дном, закрепить на дне темную жестяную банку (например, из-под кофе) и запол­нить ее холодной водой. Глядя вдоль стенки банки, нужно быстро налить в нее горячую воду. Поверхность банки сразу же станет блестящей.

Почему? Дело в том, что показатель преломления воды возрастает с температурой. У горячей поверхности банки температура воды много выше. Вот почему происходит ис­кривление луча света, как при миражах в пустыне.

Почему мы так подробно остановились на моделирова­нии миражей? Прежде всею потому, что это явление кра­сивое. Но есть и другая причина. Большинство известных Вам оптических приборов основано на прямолинейном рас­пространении света. Но есть приборы, работа которых основана на криволинейном распространении света в среде с меняющимся показателем преломления.

Область их применения огромна. Через всю террито­рию нашей страны тянутся линии волоконно-оптической связи. Такая линия способна одновременно передавать тысячи (!) телевизионных каналов. При разработке лазерных принтеров также использовалось явление полного внутреннего отражения света.

Сверхмощные лазеры способны разрушить оптическую систему, созданную из стеклянных линз. Такую систему можно заменить «газовыми линзами», то есть газообразной ере дои с переменным показателем преломления.



Не исключено, что эти принципы лягут в основу создания сверхмощных телескопов будущего.

Задача: В ясные солнечные дни на ас­фальтированных шоссе водители автомашин часто наблюдают такую картину: некоторые участки асфальта, находящиеся впереди автомашины на расстоянии около 80-100 м кажутся покры­тыми лужами. Когда водитель подъезжает ближе к этому месту, лужи исчезают и снова появляются впереди на дру­гих местах, примерно на том же расстоянии. Как объяснить это явление?

Фотоаппарат.

Современные фотоаппараты имеют сложное и разнообразное строение, мы же рассмотрим из каких основных элементов состоит фотоаппарат и как они работают.

Основной частью любого фотоаппарата является объектив - линза или система линз, помещенная в передней части светонепроницаемого корпуса фотоаппарата (рис. слева). Объектив можно плавно перемещать относительно пленки для получения на ней четкого изображения близких или отдаленных от фотоаппарата предметов.

Во время фотографирования объектив приоткрывают при помощи специального затвора, который пропускает свет к пленке лишь в момент фотографирования. Диафрагма регулирует световой поток, который попадает на пленку. Фотоаппарат дает уменьшенное, обратное, действительное изображение, которое фиксируется на пленке. Под действием света состав пленки изменяется и изображение запечатлевается на ней. Оно остаётся невидимым до тех пор, пока пленку не опустят в специальный раствор - проявитель. Под действием проявителя темнеют те места пленки, на которые падал свет. Чем больше было освещено какое-нибудь место пленки, тем темнее оно будет после проявления. Полученное изображение называется негативом (от лат. negativus - отрицательный), на нем светлые места предмета выходят темными, а темные светлыми. Чтобы это изображение под действием света не изменялось, проявленную пленку погружают в другой раствор - закрепитель. В нем растворяется и вымывается светочувствительный слой тех участков пленки, на которые не подействовал свет. Затем пленку промывают и сушат.

С негатива получают позитив (от лат. pozitivus - положительный), т. е. изображение, на котором темные места расплолжены так же как и на фотографируемом предмете. Для этого негатив прикладывают с бумаге тоже покрытой светочувствительным слоем (к фотобумаге), и освещают. Затем фотобумагу опускают в проявитель, потом в закрепитель, промывают и сушат.

После проявления пленки при печатании фотографий пользуются фотоувеличителем, который увеличивает изображение негатива на фотобумаге.

Лупа.

Чтобы лучше рассмотреть мелкие предметы, приходится пользоваться лупой - короткофокусной собирающей линзой. Предмет АВ размещают на расстоянии, немного меньшей фокусного, от лупы (рис. справа). При этом лупа дает прямое, увеличенное, мысленное изображение А1 В1. Лупу обычно размещают так, чтобы изображение предмета находилось на расстоянии наилучшего видения от глаза.

Микроскоп.

Для получения больших увеличений (от 20 до 2000) используют оптические микроскопы. Увеличенное изображение мелких предметов в микроскопе получают с помощью оптической системы, которая состоит из объектива и окуляра.

Простейший микроскоп - это система с двух линз. Предмет АВ размещается перед линзой, которая является объективом, на расстоянии F 1 < d < 2F 1 и рассматривается через окуляр, который используется как лупа . Увеличение Г микроскопа равно произведению увеличения объектива Г1 на увеличение окуляра Г2:


 Проекционный аппарат.

Проекционные аппараты используют для получения увеличенных изображений. Диапроекторы применяют для получения неподвижны х изображений, а с помощью кинопроекторов получают кадры, которые быстро заменяют друг друга и воспринимаются глазом человека как подвижные изображения. В проекционном аппарате фотоснимок на прозрачной пленке размещают от объектива на расстоянии d, что удовлетворяет условию: F< d < 2F. Для освещения пленки используют электрическую лампу 1. Для концентрации светового потока применяют конденсор 2, который состоит из системы линз, которые собирают расходящиеся лучи от источника света на кадре пленки 3. С помощью объектива 4 на экране 5 получают увеличенное, прямое, действительное изображение

Телескоп.

Для рассматривания отдаленных предметов служат зрительные трубы или телескопы. Есть два основных типа телескопов: рефракторы (на основе линз) и рефлекторы (на основе зеркал). Простейший телескоп - рефрактор, как и микроскоп, имеет объектив и окуляр, но в отличие от микроскопа объектив телескопа имеет большое фокусное расстояние, а окуляр - малую. Поскольку космические тела находятся на очень больших расстояниях от нас, то лучи от них идут параллельным пучком и собираются объективом в фокальной плоскости, где получается обратное, уменьшенное, действительное изображение. Чтобы сделать изображение прямым, используют еще одну линзу.

Строение глаза.

Глаз человека – зрительный анализатор, 95% информации об окружающем нас мире мы получаем через глаза. Современному человеку приходится целый день работать с близкорасположенными объектами: смотреть на экран компьютера, читать и т. д. Наш глаз испытывает огромную нагрузку, в результате чего многие люди страдают глазными болезнями, дефектами зрения. Каждый должен знать как устроен глаз, каковы его функции

Глаз является оптической системой, он имеет почти сферическую форму. Глаз представляет собой шарообразное тело диаметром около 25 мм и массой 8 г . Стенки глазного яблока образованы тремя оболочками. Наружная – белочная оболочка состоит из плотной непрозрачной соединительной ткани. Она позволяет глазу сохранять свою форму. Следующая оболочка глаза – сосудистая, в ней располагаются все кровеносные сосуды, питающие ткани глаза. Сосудистая оболочка черная, т. к. ее клетки содержат черный пигмент, который поглощает световые лучи, препятствуя их рассеиванию вокруг глаза. Сосудистая оболочка переходит в радужную 2, у разных людей она имеет различную окраску, которая определяет цвет глаз. Радужная оболочка – это кольцевая мышечная диафрагма с небольшим отверстием в центре – зрачком 3. Он черный потому, что то место, откуда не исходят световые лучи, воспринимается нами черным. Через зрачок световые лучи проникают внутрь глаза, но обратно не выходят, оказавшись как бы в ловушке. Зрачок регулирует поступление света в глаз, рефлекторно сужаясь или расширяясь, зрачок может иметь размер от 2 до 8 мм в зависимости от освещения.
  1   2


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации