"Оптичні явища в природі"

1. Вступ

а) Поняття оптики

б) Класифікація оптики

в) Оптика у розвитку сучасної фізики

2. Явлення, пов'язані з відображенням світла

4. Полярні сяйва

Вступ

Поняття оптики

Дуже наївними були перші уявлення стародавніх вчених про світло. Вони думали, що зорові враження виникають при обмацуванні предметів особливими тонкими щупальцями, які виходять із очей. Оптика була наука про зір, саме так точно можна перекласти це слово.

Поступово в середні віки оптика з науки про зір перетворилася на науку про світло, сприяло цьому винахід лінз та камери-обскури. На даний момент оптика - це розділ фізики, що досліджує випромінювання світла і його поширення в різних середовищах, а також взаємодія його з речовиною. Питання, пов'язані із зором, пристроєм та функціонуванням ока, виділилися в окремий науковий напрямок – фізіологічна оптика.

Класифікація оптики

Світлові промені – геометричні лінії, вздовж яких поширюється світлова енергія, під час розгляду багатьох оптичних явищ можна скористатися уявленням про них. У цьому випадку говорять про геометричну (променеву) оптику. Широкого поширення геометрична оптика набула у світлотехніці, а також при розгляді дій численних приладів та пристроїв – від лупи та окулярів до найскладніших оптичних телескопів та мікроскопів.

Інтенсивні дослідження відкритих раніше явищ інтерференції, дифракції та поляризації світла розгорнулися на початку ХІХ століття. Дані процеси не пояснювалися в рамках геометричної оптики, тому необхідно розглядати світло у вигляді поперечних хвиль. Тому виникла хвильова оптика. Спочатку вважали, що світло - це пружні хвилі в певному середовищі (світовому ефірі), що заповнює світовий простір.

Але англійський фізик Джеймс Максвелл в 1864 створив електромагнітну теорію світла, за якою хвилі світла - це електромагнітні хвилі з відповідним діапазоном довжин.

А вже на початку XX століття нові проведені дослідження показали, що для пояснення деяких явищ, наприклад фотоефекту, існує необхідність уявити світловий пучок у вигляді потоку своєрідних частинок – світлових квантів. Ісаак Ньютон мав аналогічну думку на природу світла ще 200 років тому у своїй “теорії закінчення світла”. Нині цим займається квантова оптика.

Роль оптики у розвитку сучасної фізики.

У розвитку сучасної фізики чималу роль відіграла оптика. З оптичними дослідженнями пов'язано у принципі виникнення двох найважливіших і революційних теорій двадцятого століття (квантової механіки та теорії відносності). Оптичні методи аналізу речовини на молекулярному рівні породили спеціальний науковий напрямок - молекулярну оптику, до неї також відноситься оптична спектроскопія, що застосовується в сучасному матеріалознавстві, при дослідженнях плазми, в астрофізиці. Також існують електронна та нейтронна оптики.

На сучасному етапі розвитку створено електронний мікроскоп та нейтронне дзеркало, розроблено оптичні моделі атомних ядер.

Оптика, впливаючи розвиток різних напрямів сучасної фізики, і сама сьогодні перебуває у періоді бурхливого розвитку. Головним поштовхом до цього розвитку став винахід лазерів - інтенсивних джерел когерентного світла. У результаті хвильова оптика піднялася більш високий ступінь, ступінь когерентної оптики.

Завдяки появі лазерів з'явилося дуже багато науково-технічних напрямків, що розвиваються. Серед яких є такі, як нелінійна оптика, голографія, радіооптика, пікосекундна оптика, адаптивна оптика та ін.

Радіооптика зародилася на стику радіотехніки та оптики та займається дослідженням оптичних методів передачі та обробки інформації. Ці методи перебувають у поєднанні з традиційними електронними методами; в результаті вийшло науково-технічний напрямок, званий оптоелектронікою.

Предмет волоконної оптики представляє передача світлових сигналів по діелектричних волокнах. Застосовуючи досягнення нелінійної оптики, можна змінювати хвильовий фронт світлового пучка, що модифікується при поширенні світла в тому чи іншому середовищі, наприклад, в атмосфері або у воді. Отже, виникла та інтенсивно розвивається адоптивна оптика. До якої тісно примикає фотоенергетика, що зароджується на наших очах, займається, зокрема, питаннями ефективної передачі світлової енергії по променю світла. Сучасна лазерна техніка дозволяє отримувати світлові імпульси тривалістю порядку лише пікосекунди. Такі імпульси виявляються унікальним "інструментом" для дослідження цілого ряду швидкоплинних процесів у речовині, і зокрема у біологічних структурах. Виник і розвивається спеціальний напрямок – пікосекундна оптика; до нього тісно примикає фотобіологія. Можна без перебільшення сказати, що широке практичне використання досягнень сучасної оптики є обов'язковою умовою науково-технічного прогресу. Оптика відкрила людському розуму дорогу в мікросвіт, вона дозволила йому проникнути в таємниці зоряних світів. Оптика охоплює усі сторони нашої практичної діяльності.

Явища, пов'язані з віддзеркаленням світла.

Предмет та його відображення

Те, що відбитий у стоячій воді краєвид не відрізняється від реального, а лише перевернутий "вгору ногами" далеко не так.

Якщо людина подивиться пізно ввечері, як відбиваються у воді світильники або як відбивається берег, що спускається до води, то відображення здасться йому вкороченим і зовсім зникне, якщо спостерігач знаходиться високо над поверхнею води. Також ніколи не можна побачити відображення верхівки каменю, частина якого занурена у воду.

Пейзаж бачиться спостерігачеві таким, якби на нього дивилися з точки, що знаходиться на стільки глибше поверхні води, наскільки око спостерігача знаходиться вище за поверхню. Різниця між пейзажем та його зображенням зменшується у міру наближення ока до поверхні води, а також у міру видалення об'єкта.

Часто людям здається, що відображення в ставку кущів та дерев відрізняється більшою яскравістю фарб та насиченістю тонів. Цю особливість можна помітити, спостерігаючи відображення предметів у дзеркалі. Тут більшу роль відіграє психологічне сприйняття, ніж фізична сторона явища. Рама дзеркала, береги ставка обмежують невелику ділянку пейзажу, огороджуючи бічний зір людини від надмірного розсіяного світла, що надходить з усього небосхилу і засліплюючого спостерігача, тобто він дивиться на невелику ділянку пейзажу ніби через темну вузьку трубу. Зменшення яскравості відбитого світла проти прямим полегшує людям спостереження неба, хмар та інших яскравоосвітлених предметів, які за прямому спостереженні виявляється занадто яскравим для ока.

Залежність коефіцієнта відбиття від кута падіння світла.

На межі двох прозорих середовищ світло частково відбивається, частково проходить в інше середовище та заломлюється, частково поглинається середовищем. Відношення відбитої енергії до падаючої називають коефіцієнтом відбиття. Відношення енергії світла, що пройшло через речовину, до енергії падаючого світла називають коефіцієнтом пропускання.

Коефіцієнти відображення та пропускання залежать від оптичних властивостей, що межують між собою середовищ та кута падіння світла. Так, якщо світло падає на скляну пластинку перпендикулярно (кут падіння α=0), то відображається лише 5% світлової енергії, а 95% проходить через межу розділу. У разі збільшення кута падіння частка відбитої енергії зростає. При вугіллі падіння α=90˚ вона дорівнює одиниці.

Залежність інтенсивності відбитого і проходить через скляну пластинку світла можна простежити, розташовуючи пластинку під різними кутами до світлових променів і оцінюючи інтенсивність очей.

Цікаво також оцінити на око інтенсивність світла, відбитого від поверхні водойми, залежно від кута падіння, поспостерігати відбиття сонячних променів від вікон будинку при різних кутах падіння вдень, при заході сонця, сході світила.

Захисне скло

Звичайні шибки частково пропускають теплові промені. Це добре для використання їх у північних районах, а також для парників. На півдні ж приміщення настільки перегріваються, що працювати у них важко. Захист від Сонця зводиться або до затемнення будівлі деревами, або вибору сприятливої ​​орієнтації будівлі при перебудові. І те й інше іноді буває скрутним і не завжди здійсненним.

Щоб скло не пропускало теплові промені, його покривають тонкими прозорими плівками оксидів металів. Так, олов'яно-сурм'яна плівка не пропускає більше половини теплових променів, а покриття, що містять окис заліза, повністю відображають ультрафіолетові промені та 35-55% теплових.

Розчини плівкоутворювальних солей наносять з пульверизатора на гарячу поверхню скла під час його теплової обробки або формування. При високій температурі солі переходять в окиси, міцно пов'язані з поверхнею скла.

Подібним чином виготовляють шибки для світлозахисних окулярів.

Повне внутрішнє відображення світла

Гарне видовище є фонтаном, у якого струмені, що викидаються, освітлюються зсередини. Це можна зобразити у звичайних умовах, зробивши наступний досвід (рис. 1). У високій консервній банці на висоті 5 см від дна треба просвердлити круглий отвір ( а) діаметром 5-6 мм. Електричну лампочку з патроном треба акуратно обгорнути целофановим папером і розташувати навпроти отвору. У банку треба налити води. Відкривши отвір а,отримаємо струмінь, який буде освітлений зсередини. У темній кімнаті вона яскраво світиться і опеньків виглядає дуже ефектно. Струмене можна надати будь-яке забарвлення, помістивши на шляху променів світла кольорове скло б. Якщо на шляху струменя підставити палець, вода розбризкується і ці крапельки яскраво світяться.

Пояснення цього явища досить просте. Промінь світла проходить вздовж струменя води і потрапляє на вигнуту поверхню під кутом, більшим за граничне, відчуває повне внутрішнє відображення, а потім знову потрапляє на протилежний бік струменя під кутом знову більше граничного. Так промінь проходить вздовж струменя згинаючи разом із нею.

Але якби світло повністю відбивалося всередині струменя, то воно не було б видно ззовні. Частина світла розсіюється водою, бульбашками повітря та різними домішками, що є в ній, а також внаслідок нерівностей поверхні струменя, тому вона видно зовні.

Циліндричний світловод

Якщо направити світловий пучок в один торець суцільного зігнутого зігнутого циліндра, можна помітити, що світло буде виходити з його іншого торця (рис. 2); через бічну поверхню циліндра світло майже виходить. Проходження світла по скляному циліндру пояснюється тим, що, падаючи на внутрішню поверхню циліндра під кутом, більше граничного, світло багаторазово відчуває повне відображення і досягає кінця.

Чим тонший циліндр, тим частіше відбуватимуться відображення променя і тим більша частина світла падатиме на внутрішню поверхню циліндра під кутами, більшими за граничний.

Алмази та самоцвіти

У Кремлі існує виставка алмазного фонду Росії.

У залі світло трохи приглушене. У вітринах сяють твори ювелірів. Тут можна побачити такі алмази, як "Орлов", "Шах", "Марія", "Валентина Терешкова".

Секрет чарівної гри світла в алмазах, полягає в тому, що цей камінь має високий показник заломлення (n=2,4173) і внаслідок цього малий кут повного внутрішнього відображення (α=24˚30′) і має більшу дисперсію, що викликає розкладання білого світла на прості кольори.

Крім того, гра світла в алмазі залежить від правильності його огранювання. Грані алмазу багаторазово відбивають світло всередині кристала. Внаслідок великої прозорості алмазів високого класу світло всередині них майже не втрачає своєї енергії, а лише розкладається на прості кольори, промені яких потім вириваються назовні у різних, найнесподіваніших напрямках. При повороті каменю змінюються кольори, що виходять з каменю, і здається, що він є джерелом багатьох яскравих різнокольорових променів.

Зустрічаються алмази, пофарбовані в червоний, блакитний і бузковий кольори. Сяйво алмазу залежить від його ограновування. Якщо дивитися крізь добре огранений водяно-прозорий діамант на світ, то камінь здається зовсім непрозорим, а деякі його грані просто чорними. Це відбувається тому, що світло, зазнаючи повного внутрішнього відображення, виходить у зворотному напрямку або в сторони.

Якщо дивитися на верхню огранку з боку світла, вона сяє багатьма квітами, а місцями блищить. Яскраве сяйво верхніх граней діаманта називають алмазним блиском. Нижня сторона діаманта зовні здається ніби посрібленою і відливає металевим блиском.

Найбільш прозорі та великі алмази є окрасою. Дрібні алмази знаходять широке застосування в техніці як ріжучий або шліфувальний інструмент для металообробних верстатів. Алмазами армують головки бурильного інструменту для проходження свердловин у твердих породах. Таке застосування алмазу можливе через велику твердість, що його відрізняє. Інші дорогоцінні камені в більшості випадків є кристалами окису алюмінію з домішкою оксидів фарбуючих елементів - хрому (рубін), міді (смарагд), марганцю (аметист). Вони також відрізняються твердістю, міцністю і мають гарне забарвлення і "грою світла". В даний час вміють отримувати штучним шляхом великі кристали окису алюмінію та забарвлювати їх у бажаний колір.

Явлення дисперсії світла пояснюють різноманіттям барв природи. Цілий комплекс оптичних експериментів із призмами у XVII столітті провів англійський вчений Ісаак Ньютон. Ці експерименти показали, що біле світло не є основним, його треба розглядати як складовий (“неоднорідний”); основними ж є різні кольори (однорідні промені, або монохроматичні промені). Розкладання білого світла різні кольори відбувається з тієї причини, що кожному кольору відповідає свій ступінь заломлюваності. Ці висновки, зроблені Ньютоном, узгоджуються із сучасними науковими уявленнями.

Поряд з дисперсією коефіцієнта заломлення спостерігається дисперсія коефіцієнтів поглинання, пропускання та відображення світла. Цим пояснюються різноманітні ефекти під час освітлення тіл. Наприклад, якщо є якесь прозоре для світла тіло, у якого для червоного світла коефіцієнт пропускання великий, а коефіцієнт відображення малий, для зеленого ж світла навпаки: коефіцієнт пропускання малий, а коефіцієнт відображення великий, тоді в світлі тіло буде здаватися червоним, а у відбитому світлі – зеленим. Такими властивостями володіє, наприклад, хлорофіл - зелена речовина, що міститься в листі рослин і зумовлює зелений колір. Розчин хлорофілу в спирті під час розгляду просвіт виявляється червоним. У відбитому світлі цей розчин виглядає зеленим.

Якщо в якогось тіла коефіцієнт поглинання великий, а коефіцієнти пропускання та відображення малі, то таке тіло здаватиметься чорним та непрозорим (наприклад, сажа). Дуже біле, непрозоре тіло (наприклад, окис магнію) має коефіцієнт відображення близький до одиниці всім довжин хвиль, і дуже малі коефіцієнти пропускання і поглинання. Цілком прозоре для світла тіло (скло) має малі коефіцієнти відбиття та поглинання та близький до одиниці для всіх довжин хвиль коефіцієнт пропускання. У забарвленого скла для деяких довжин хвиль коефіцієнти пропускання і відображення практично дорівнюють нулю і, відповідно, значення коефіцієнта поглинання для цих довжин хвиль близько до одиниці.

Явища, пов'язані з заломленням світла

Деякі види міражів. З більшого різноманіття міражів виділимо кілька видів: “озерні” міражі, звані також нижніми міражами, верхні міражі, подвійні та потрійні міражі, міражі наддальнього бачення.

Нижні (озерні) міражі виникають над сильно нагрітою поверхнею. Верхні міражі виникають, навпаки, над сильно охолодженою поверхнею, наприклад, над холодною водою. Якщо нижні міражі спостерігають, як правило, у пустелях та степах, то верхні спостерігають у північних широтах.

Верхні міражі відрізняються різноманітністю. В одних випадках вони дають пряме зображення, в інших випадках у повітрі з'являється зображення. Міражі можуть бути подвійними, коли спостерігаються два зображення, просте та перевернене. Ці зображення можуть бути розділені смугою повітря (одне може виявитися над лінією горизонту, інше під нею), але можуть безпосередньо стулятися один з одним. Іноді виникає ще одне – третє зображення.

Особливо дивовижні міражі наддальнього бачення. К. Фламмаріон у своїй книзі “Атмосфера” описує приклад подібного міражу: “Опираючись на свідчення кількох осіб, які заслуговують на довіру, я можу повідомити про міраж, який бачили у місті Верв'є (Бельгія) у червні 1815 р. Одного ранку жителі міста побачили в небі військо, і так ясно, що можна було розрізнити костюми артилеристів і навіть, наприклад, гармату зі зламаним колесом, яке ось-ось відвалиться… Це був ранок битви за Ватерлоо!” Описаний міраж зображений у вигляді кольорової акварелі одним із очевидців. Відстань від Ватерлоо до Верв'є по прямій лінії становить понад 100 км. Відомі випадки, коли подібні міражі спостерігалися і на великих відстанях – до 1000 км. "Летючого голландця" слід віднести саме до таких міражів.

Пояснення нижнього (озерного) міражу. Якщо повітря біля поверхні землі сильно нагріте і, отже, його щільність відносно мала, то показник заломлення біля поверхні буде менше, ніж у більш високих повітряних шарах. Зміна показника заломлення повітря nз висотою hпоблизу земної поверхні для аналізованого випадку показано малюнку 3, а.

Відповідно до встановленого правила, світлові промені поблизу поверхні землі в цьому випадку згинаються так, щоб їх траєкторія була звернена опуклістю вниз. Нехай у точці A знаходиться спостерігач. Світловий промінь від деякої ділянки блакитного неба потрапить у око спостерігача, зазнавши вказаного викривлення. А це означає, що спостерігач побачить відповідну ділянку піднебіння не над лінією горизонту, а нижче за неї. Йому здаватиметься, що він бачить воду, хоч насправді перед ним зображення блакитного неба. Якщо уявити, що в лінії горизонту знаходяться пагорби, пальми або інші об'єкти, то спостерігач побачить і їх переверненими завдяки відзначеному викривленню променів і сприйме як відображення відповідних об'єктів у неіснуючій воді. Так з'являється ілюзія, що є “озерний” міраж.

Прості верхні міражі. Можна припустити, що повітря біля поверхні землі або води не нагріте, а, навпаки, помітно охолоджений порівняно з вищими повітряними шарами; зміна n з висотою h показано малюнку 4, а. Світлові промені в цьому випадку згинаються так, що їх траєкторія звернена опуклістю вгору. Тому тепер спостерігач може бачити об'єкти, приховані від нього за горизонтом, причому він бачитиме їх угорі як би висять над лінією горизонту. Тому такі міражі називають верхніми.

Верхній міраж може давати як пряме, і перевернене зображення. Показане малюнку пряме зображення виникає, коли показник заломлення повітря зменшується з висотою щодо повільно. При швидкому зменшенні показника заломлення утворюється зображення. У цьому вся можна переконатися, розглянувши гіпотетичний випадок – показник заломлення деякою висоті h зменшується стрибком (рис. 5). Промені об'єкта, перш ніж потрапити до спостерігача А відчувають повне внутрішнє відображення від кордону ВС нижче за яку в даному випадку знаходиться більш щільне повітря. Видно, що верхній міраж дає перевернуте зображення об'єкта. Насправді немає стрибкоподібного кордону між шарами повітря, перехід відбувається поступово. Але якщо він відбувається досить різко, то верхній міраж дасть перевернуте зображення (рис. 5).

Подвійні та потрійні міражі. Якщо показник заломлення повітря змінюється спочатку швидко, та був повільно, то цьому разі промені області I будуть викривлятися швидше, ніж області II. В результаті виникають два зображення (рис. 6, 7). Світлові промені 1, що розповсюджуються в межах повітряної області I, формують зображення об'єкта. Промені 2, що розповсюджуються в основному в межах області II, викривляються меншою мірою і формують пряме зображення.

Щоб зрозуміти як з'являється потрійний міраж, потрібно уявити три послідовні повітряні області: перша (біля самої поверхні), де показник заломлення зменшується з висотою повільно, наступна, де показник заломлення зменшується швидко, і третя область, де показник заломлення знову зменшується повільно. На малюнку представлена ​​зміна показника заломлення з висотою. На малюнку показано, як виникає потрійний міраж. Промені 1 формують нижнє зображення об'єкта, вони поширюються в межах повітряної області I. Промені 2 формують перевернене зображення; потрапляю в повітряну область II, ці промені відчувають сильне викривлення. Промені 3 формують пряме верхнє зображення об'єкта.

Міраж наддальнього бачення. Природа цих міражів вивчена найменше. Зрозуміло, що атмосфера має бути прозорою, вільною від водяної пари та забруднень. Але цього замало. Повинен утворитись стійкий шар охолодженого повітря на деякій висоті над поверхнею землі. Нижче і вище цього шару повітря має бути теплішим. Світловий промінь, що потрапив усередину щільного холодного шару повітря, ніби "замкненим" усередині нього і поширюється в ньому як за своєрідним світловодом. Траєкторія променя малюнку 8 постійно обертається опуклістю убік менш щільних областей повітря.

Виникнення наддалеких міражів можна пояснити поширенням променів усередині подібних “світловодів”, які іноді створює природа.

Веселка – це прекрасне небесне явище – завжди привертала увагу людини. У давні часи, коли люди ще мало знали про навколишній світ, веселку вважали "небесним знаменням". Так, давні греки думали, що веселка – це посмішка богині Іріди.

Веселка спостерігається осторонь, протилежній Сонцю, і натомість дощових хмар чи дощу. Різнобарвна дуга зазвичай знаходиться від спостерігача на відстані 1-2 км, а іноді її можна спостерігати на відстані 2-3 м на тлі водяних крапель, утворених фонтанами або розпилювачами води.

Центр веселки знаходиться на продовженні прямої, що з'єднує Сонце та очей спостерігача – на протисонячній лінії. Кут між напрямком на головну веселку та протисонячною лінією становить 41-42º (рис. 9).

У момент сходу сонця протисонячна точка (точка М) знаходиться на лінії горизонту і веселка має вигляд півкола. У міру підняття Сонця протисонячна точка опускається під обрій і розмір веселки зменшується. Вона є лише частиною кола.

Часто спостерігається побічна веселка, концентрична з першою, з кутовим радіусом близько 52 º і зворотним розташуванням кольорів.

При висоті Сонця 41 º головна веселка перестає бути видимою і над горизонтом виступає лише частина побічної веселки, а при висоті Сонця більше 52 º не видно і побічна веселка. Тому в середніх екваторіальних широтах близько півдня це явище природи ніколи не спостерігається.

У веселки розрізняють сім основних кольорів, які плавно переходять один в інший.

Вид дуги, яскравість кольорів, ширина смуг залежать від розмірів крапельок води та їх кількості. Великі краплі створюють вужчу веселку, з квітами, що різко виділяються, малі - дугу розпливчасту, бляклу і навіть білу. Ось чому яскраву вузьку веселку видно влітку після грозового дощу, під час якого падають великі краплі.

Вперше теорія веселки була дана в 1637 Рене Декартом. Він пояснив веселку, як явище, пов'язане з відображенням та заломленням світла у дощових краплях.

Освіта квітів та його послідовність було пояснено пізніше, після розгадки складної природи білого світла та її дисперсії серед. Дифракційна теорія веселки розроблена Ері та Партнером.

Можна розглянути найпростіший випадок: нехай на краплі, що мають форму кулі, падає пучок паралельних сонячних променів (рис. 10). Промінь, що падає на поверхню краплі в точці А, заломлюється всередині неї за законом заломлення:

n sin α=n sin β, де n=1, n≈1,33 –

відповідно показники заломлення повітря та води, α – кут падіння, а β – кут заломлення світла.

Усередині краплі йде прямий промінь АВ. У точці відбувається часткове заломлення променя і часткове його відображення. Слід зазначити, що, що менше кут падіння у точці У, отже й у точці А, то менше інтенсивність відбитого променя і більше інтенсивність заломленого променя.

Промінь АВ після відображення в точці відбувається під кутом β`=β b потрапляє в точку С, де також відбувається часткове відображення і часткове заломлення світла. Заломлений промінь виходить з краплі під кутом γ, а відбитий може пройти далі, в точку D і т. д. Таким чином, промінь світла в краплі зазнає багаторазового відображення та заломлення. При кожному відображенні деяка частина променів світла виходить назовні та інтенсивність їх усередині краплі зменшується. Найбільш інтенсивним з променів, що виходять у повітря, є промінь, що вийшов з краплі в точці В. Але спостерігати його важко, оскільки він губиться на тлі яскравих прямих сонячних променів. Промені ж, заломлені в точці С, створюють у сукупності на тлі темної хмари первинну веселку, а промені, що зазнають заломлення в точці D дають вторинну веселку, яка менш інтенсивна, ніж первинна.

При розгляді утворення веселки потрібно врахувати ще одне явище - неоднакове заломлення хвиль світла різної довжини, тобто світлових променів різного кольору. Це явище називається дисперсії. Внаслідок дисперсії кути заломлення і кута відхилення променів у краплі різні для променів різного забарвлення.

Найчастіше ми спостерігаємо одну веселку. Непоодинокі випадки, коли на небосхилі з'являються одночасно дві райдужні смуги, розташовані одна за одною; спостерігають і ще більше небесних дуг – три, чотири і навіть п'ять одночасно. Це цікаве явище спостерігали ленінградці 24 вересня 1948 року, коли у другій половині дня серед хмар над Невою з'явилися чотири веселки. Виявляється, що веселка може виникати не лише від прямих променів; нерідко вона з'являється і у відбитих променях Сонця. Це можна побачити на березі морських заток, великих річок та озер. Три-чотири веселки – звичайні та відбиті – створюють часом гарну картину. Так як відбиті від водної поверхні промені Сонця йдуть знизу вгору, то веселка, що утворюється в променях, може виглядати іноді зовсім незвично.

Не слід думати, що веселку можна спостерігати лише вдень. Вона буває і вночі, щоправда, завжди слабка. Побачити таку веселку можна після нічного дощу, коли з-за хмар вигляне Місяць.

Деяку подобу веселки можна отримати на такому досвіді: Потрібно колбу, наповнену водою, висвітлити сонячним світлом або лампою через отвір у білій дошці. Тоді на дошці чітко стане видно веселку, причому кут розбіжності променів у порівнянні з початковим напрямом становитиме близько 41-42°. У природних умовах екрану немає, зображення виникає на сітківці ока, і око проектує це зображення на хмари.

Якщо веселка з'являється ввечері перед заходом Сонця, спостерігають червону веселку. В останні п'ять або десять хвилин перед заходом сонця всі кольори веселки, крім червоного, зникають, вона стає дуже яскравою і видимою навіть через десять хвилин після заходу сонця.

Гарне видовище є веселка на росі. Її можна спостерігати при сході Сонця на траві, покритій росою. Ця веселка має форму гіперболи.

Полярні сяйва

Одним із найкрасивіших оптичних явищ природи є полярне сяйво.

У більшості випадків полярні сяйва мають зелений або синьо-зелений відтінок з плямами, що зрідка з'являються, або облямівкою рожевого або червоного кольору.

Полярні сяйва спостерігають у двох основних формах – у вигляді стрічок та у вигляді хмароподібних плям. Коли сяйво інтенсивне, воно набуває форми стрічок. Втрачаючи інтенсивність, воно перетворюється на плями. Однак багато стрічк зникають, не встигнувши розбитися на плями. Стрічки ніби висять у темному просторі неба, нагадуючи гігантську завісу або драпірування, що простяглося зазвичай зі сходу на захід на тисячі кілометрів. Висота цієї завіси становить кілька сотень кілометрів, товщина не перевищує кількох сотень метрів, причому така ніжна і прозора, що крізь неї видно зірки. Нижній край завіси досить різко і чітко окреслений і часто підфарбований в червоний або рожевий колір, що нагадує облямівку завіси, верхній - поступово втрачається у висоті і це створює ефектне враження глибини простору.

Розрізняють чотири типи полярних сяйв:

Однорідна дуга - смуга, що світиться, має найбільш просту, спокійну форму. Вона яскравіша знизу і поступово зникає вгору на тлі свічення неба;

Променева дуга – стрічка стає дещо активнішою і рухливішою, вона утворює дрібні складки та цівки;

Променева смуга - зі зростанням активності більші складки накладаються на дрібні;

При підвищенні активності складки чи петлі розширюються до великих розмірів, нижній край стрічки яскраво сяє рожевим світінням. Коли активність спадає, складки зникають та стрічка повертається до однорідної форми. Це наводить на думку, що однорідна структура є основною формою полярного сяйва, а складки пов'язані зі зростанням активності.

Часто виникають сяйва іншого виду. Вони захоплюють весь полярний район та виявляються дуже інтенсивними. Відбуваються вони під час збільшення сонячної активності. Ці сяйва видаються у вигляді білувато-зеленої шапки. Такі сяйва називають шквалами.

За яскравістю сяйва поділяють на чотири класи, що відрізняються один від одного на один порядок (тобто в 10 разів). До першого класу відносяться сяйва, ледь помітні і приблизно рівні за яскравістю Чумацького Шляху, а сяйво четвертого класу висвітлюють Землю так яскраво, як повний Місяць.

Слід зазначити, що сяйво поширюється на захід зі швидкістю 1 км/сек. Верхні шари атмосфери в області спалахів сяйв розігріваються і спрямовуються нагору, що позначилося на посиленому гальмуванні штучних супутників Землі, що проходять ці зони.

Під час сяйв у атмосфері Землі виникають вихрові електричні струми, які захоплюють великі області. Вони збуджують магнітні бурі, звані додаткові нестійкі магнітні поля. Коли атмосфера сяє, вона випромінює рентгенівські промені, які, швидше за все, є результатом гальмування електронів в атмосфері.

Часті спалахи сяйва практично завжди супроводжуються звуками, що нагадують шум, тріск. Полярні сяйва мають великий вплив на сильні зміни в іоносфері, що впливають у свою чергу на умови радіозв'язку, тобто радіозв'язок сильно погіршується, в результаті чого виникають сильні перешкоди, або навіть повна втрата прийому.

Виникнення полярних сяйв.

Земля - ​​це величезний магніт, північний полюс якого поблизу південного географічного полюса, а південний – поблизу північного. А силові лінії магнітного поля Землі - це геомагнітні лінії, що виходять із області, що прилягає до північного магнітного полюса Землі. Вони охоплюють всю земну кулю і входять до неї в області південного магнітного полюса, утворюючи тороїдальну решітку навколо Землі.

Вважалося протягом тривалого часу, що розташування магнітних силових ліній симетрично щодо земної осі. Але насправді виявилося, що так званий "сонячний вітер", тобто потік протонів і електронів, випромінюваних Сонцем, налітає на геомагнітну оболонку Землі з висоти близько 20 000 км. Він відтягує її у бік від Сонця, цим у Землі утворюється своєрідний магнітний “хвіст”.

Землі, що потрапили в магнітне поле, електрон або протон рухаються по спіралі, навиваючись на геомагнітну лінію. Ці частинки, що потрапили із сонячного вітру в магнітне поле Землі, поділяються на дві частини: одна частина вздовж магнітних силових ліній відразу стікає в полярні області Землі, а інша - потрапляє всередину тероїда і рухається всередині нього, як це можна за правилом лівої руки, вздовж замкнутої кривої АВС. Зрештою, ці протони і електрони геомагнітними лініями також стікають в область полюсів, де з'являється їх збільшена концентрація. Протони та електрони виробляють іонізацію та збудження атомів та молекул газів. Для цього вони мають достатню енергію. Оскільки протони прилітають Землю з енергіями 10000-20000ев (1ев= 1.6 10 дж), а електрони з енергіями 10-20ев. А для іонізації атомів потрібно: для водню - 13,56 ев, для кисню - 13,56 ев, для азоту - 124,47 ев, для збудження ж ще менше.

За принципом того, як це відбувається в трубках з розрідженим газом при пропусканні через них струмів, збуджені атоми газів віддають отриману назад енергію у вигляді світла.

Зелене та червоне світіння, за результатами спектрального дослідження, належить збудженим атомам кисню, а інфрачервоне та фіолетове – іонізованим молекулам азоту. Деякі лінії випромінювання кисню та азоту утворюються на висоті 110 км, а червоне свічення кисню – на висоті 200-400 км. Наступним слабким джерелом червоного світла є атоми водню, що утворили у верхніх шарах атмосфери з протонів, що прилетіли з Сонця. Такий протон після захоплення електрона перетворюється на збуджений атом водню і дає випромінювання червоним світлом.

Після спалахів на Сонці зазвичай через день-два відбуваються спалахи сяйв. Це свідчить про зв'язок між цими явищами. Дослідження з допомогою ракет показало, що у місцях більшої інтенсивності сяйв зберігається вищий рівень іонізації газів електронами. На думку вчених, максимальна інтенсивність полярних сяйв досягається біля берегів океанів та морів.

Існує ряд труднощів для наукового пояснення всіх явищ, пов'язаних із полярними сяйвами. Тобто, невідомий повністю механізм прискорення частинок до певних енергій, не зрозумілі їх траєкторії руху в навколоземному просторі, не цілком зрозумілий механізм утворення свічення різних видів, неясно походження звуків, не все сходиться кількісно в енергетичному балансі іонізації та збудження частинок.

Використовувана література:

1. "Фізика в природі", автор - Л. В. Тарасов, видавництво "Просвіта", Москва, 1988 рік.
2. "Оптичні явища в природі", автор - В. Л. Булат, видавництво "Просвіта", Москва, 1974 рік.
3. "Бесіди з фізики, частина II", автор - М. І. Блудов, видавництво "Просвіта", Москва, 1985 рік.
4. "Фізика 10", автори - Г. Я. Мякішев Б. Б. Буховцев, видавництво "Просвіта", Москва, 1987 рік.
5. "Енциклопедичний словник молодого фізика", укладач В. А. Чуянов, видавництво "Педагогіка", Москва, 1984 рік.
6. "Довідник школяра з фізики", укладач - , філологічне товариство "Слово", Москва, 1995 рік.
7. "Фізика 11", Н. М. Шахмаєв, С. Н. Шахмаєв, Д. Ш. Шодієв, видавництво "Просвіта", Москва, 1991 рік.
8. "Рішення завдань з фізики", В. А. Шевцов, Нижньо-Волзьке книжкове видавництво, Волгоград, 1999 рік.

Динамічні зміни вбудовані у саму природу. Все змінюється однак кожен момент. Якщо ви уважно оглянетеся, ви знайдете сотні прикладів фізичних та хімічних явищ, які є цілком природними перетвореннями.

Зміни – єдина константа у Всесвіті

Як не дивно, зміна є єдиною константою у нашому Всесвіті. Щоб зрозуміти фізичні та хімічні явища (приклади у природі зустрічаються кожному кроці), прийнято класифікувати їх за типами, залежно від характеру кінцевого результату, викликаного ними. Розрізняють фізичні, хімічні та змішані зміни, які містять у собі і перші, і другі.

Фізичні та хімічні явища: приклади та значення

Що таке фізичне явище? Будь-які зміни, що відбуваються у речовині без зміни його хімічного складу, є фізичними. Вони характеризуються змінами фізичних атрибутів та матеріального стану (твердий, рідкий чи газоподібний), щільності, температури, обсягу, що відбуваються без зміни його фундаментальної хімічної структури. Не відбувається створення нових хімічних продуктів чи зміни загальної маси. Крім того, цей тип змін зазвичай є тимчасовим та в деяких випадках повністю оборотним.

Коли ви змішуєте хімікати в лабораторії, можна легко побачити реакцію, але у світі довкола вас відбувається безліч хімічних реакцій щодня. Хімічна реакція змінює молекули, тоді як фізична зміна лише перебудовує їх. Наприклад, якщо ми візьмемо газ хлору та металевий натрій та об'єднаємо їх, ми отримаємо столову сіль. Отримана речовина сильно відрізняється від будь-якої з її складових частин. Це хімічна реакція. Якщо потім розчинити цю сіль у воді ми просто змішуємо молекули солі з молекулами води. У цих частках немає змін, це фізичне перетворення.

Приклади фізичних змін

Все складається із атомів. При поєднанні атомів утворюються різні молекули. Різні властивості, які успадковують об'єкти, є наслідком різних молекулярних чи атомних структур. Основні властивості об'єкта залежать від їхнього молекулярного розташування. Фізичні зміни відбуваються без зміни молекулярної чи атомної структури об'єктів. Вони просто перетворюють стан об'єкта, не змінюючи його природу. Плавлення, конденсація, зміна обсягу та випаровування є прикладами фізичних явищ.

Додаткові приклади фізичних змін: метал, що розширюється при нагріванні, передача звуку через повітря, замерзання води взимку в лід, мідь втягується в дроти, формування глини на різних об'єктах, морозиво плавиться до рідини, нагрівання металу та перетворення його в іншу форму, сублімація йоду при нагрівання, падіння будь-якого об'єкта під дією сили тяжіння, чорнило поглинаються крейдою, намагнічування залізних цвяхів, сніговик, що тане на сонці, лампи розжарювання, що світяться, магнітна левітація об'єкта.

Як розрізняти фізичні та хімічні зміни?

Безліч прикладів хімічних явищ і фізичних можна зустріти у житті. Часто важко визначити різницю між ними, особливо коли обидва можуть відбуватися одночасно. Щоб визначити фізичні зміни, поставте такі питання:

• Чи є стан стану об'єкта зміною (газоподібною, твердою та рідкою)?
• Чи зміна є чисто обмеженим фізичним параметром або характеристикою, такою як щільність, форма, температура або об'єм?
• Чи є хімічна природа об'єкта зміною?
• Чи виникають хімічні реакції, що призводять до створення нових продуктів?

Якщо відповіді на одне з перших двох питань так, і відповіді на наступні питання відсутні, це, швидше за все, це фізичне явище. І навпаки, якщо відповідь на будь-яке з двох останніх питань позитивна, тоді як перші два негативні, це, безумовно, хімічне явище. Трюк полягає у тому, щоб просто чітко спостерігати та аналізувати те, що ви бачите.

Приклади хімічних реакцій у повсякденному житті

Хімія відбувається в навколишньому світі, а не тільки в лабораторії. Матерія взаємодіє утворення нових продуктів у вигляді процесу, званого хімічної реакцією чи хімічним зміною. Щоразу, коли ви готуєте чи прибираєте, це хімія у дії. Ваше тіло живе та росте завдяки хімічним реакціям. Є реакції, коли ви приймаєте ліки, запалюєте сірник і зітхаєте. Ось 10 хімічних реакцій у повсякденному житті. Це лише невелика вибірка з тих прикладів фізичних і хімічних явищ у житті, які ви бачите і відчуваєте багато разів щодня:

1. Фотосинтез. Хлорофіл у листі рослин перетворює вуглекислий газ і воду в глюкозу та кисень. Це одна з найпоширеніших щоденних хімічних реакцій, а також одна з найважливіших, оскільки саме так рослини виробляють їжу для себе та тварин і перетворюють вуглекислий газ на кисень.
2. Аеробне клітинне дихання є реакцією з киснем у людських клітинах. Аеробне клітинне дихання є протилежним процесом фотосинтезу. Різниця полягає в тому, що молекули енергії поєднуються з киснем, яким ми дихаємо, щоб вивільнити енергію, необхідну нашим клітинам, а також вуглекислий газ та воду. Енергія, використовувана клітинами, є хімічну енергію як АТФ.
3. Анаеробне дихання. Анаеробне дихання виробляє вино та інші ферментовані продукти. Ваші м'язові клітини виконують анаеробне дихання, коли ви вичерпує кисень, що подається, наприклад, при інтенсивній або тривалій вправі. Анаеробне дихання дріжджами та бактеріями використовується для ферментації для виробництва етанолу, вуглекислого газу та інших хімічних речовин, які виробляють сир, вино, пиво, йогурт, хліб та багато інших поширених продуктів.
4. Згоряння – це тип хімічної реакції. Це хімічна реакція у повсякденному житті. Щоразу, коли ви запалюєте сірник чи свічку, розпалюєте багаття, ви бачите реакцію горіння. Спалювання поєднує енергетичні молекули з киснем для одержання двоокису вуглецю та води.
5. Іржа - загальна хімічна реакція. Згодом залізо розвиває червоне покриття, що лущиться, зване іржею. Це приклад реакції окиснення. Інші повсякденні приклади включають формування вердигрів на міді та потьмяніння срібла.
6. Змішування хімічних речовин спричиняє хімічні реакції. Пекарський порошок та харчова сода виконують аналогічні функції при випіканні, але вони по-різному реагують на інші інгредієнти, тому ви не завжди можете замінити їх на інший. Якщо ви комбінуєте оцет та харчову соду для хімічного "вулкану" або молока з порошком для випікання в рецепті, ви відчуваєте реакцію подвійного зміщення або метатези (плюс деякі інші). Інгредієнти рекомбінують для отримання газоподібного діоксиду вуглецю та води. Вуглекислий газ утворює бульбашки та допомагає "вирощування" хлібобулочних виробів. Ці реакції здаються простими практично, але часто складаються з кількох етапів.
7. Батареї є прикладами електрохімії. Батареї використовують електрохімічні або окислювально-відновні реакції для перетворення хімічної енергії на електричну.
8. Травлення. Тисячі хімічних реакцій відбуваються під час травлення. Як тільки ви покладете їжу в рот, фермент у вашій слині, званий амілазою, починає руйнувати цукру та інші вуглеводи у простіші форми, які ваше тіло може поглинати. Соляна кислота у вашому шлунку реагує з їжею, щоб її зруйнувати, а ферменти розщеплюють білки та жири, щоб вони могли всмоктуватись у кров через стінки кишечника.
9. Кислотно-базові реакції. Щоразу, коли ви змішуєте кислоту (наприклад, оцет, лимонний сік, сірчану кислоту, соляну кислоту) з лугом (наприклад, харчовою содою, милом, аміаком, ацетоном), ви виконуєте кислотно-лужну реакцію. Ці процеси нейтралізують один одного, отримуючи сіль та воду. Хлорид натрію не є єдиною сіллю, яка може бути утворена. Наприклад, тут наведено хімічне рівняння реакції кислотно-лужної реакції, у якій утворюється хлорид калію, звичайний замінник столової солі: HCl + KOH → KCl + H 2 O.
10. Мило та миючі засоби. Їх очищають хімічними реакціями. Мило емульгує бруд, що означає, що масляні плями зв'язуються з милом, щоб їх можна було зняти водою. Миючі засоби знижують поверхневий натяг води, тому вони можуть взаємодіяти з маслами, ізолювати їх та змивати.
11. Хімічні реакції під час приготування їжі. Кулінарія – один великий практичний експеримент з хімії. Приготування використовує тепло, щоб викликати хімічні зміни їжі. Наприклад, коли ви сильно кип'ятите яйце, сірководень, отриманий нагріванням яєчного білка, може реагувати із залізом із яєчного жовтка, утворюючи сіро-зелене кільце навколо жовтка. Коли ви готуєте м'ясо або випічку, реакція Майяра між амінокислотами та цукрами дає коричневий колір та бажаний смак.

Інші приклади хімічних та фізичних явищ

Фізичні властивості описують характеристики, що не змінюють речовину. Наприклад, ви можете змінити колір паперу, але це ще папір. Ви можете кип'ятити воду, але коли ви збираєте та конденсуєте пару, це досі вода. Ви можете визначити масу аркуша паперу, і це все ще папір.

Хімічними властивостями є, які показують, як речовина реагує чи реагує коїться з іншими речовинами. Коли металевий натрій поміщають у воду, він бурхливо реагує, утворюючи гідроксид натрію і водень. Достатнє тепло виділяється тим, що водень виривається в полум'я, реагуючи з киснем повітря. З іншого боку, коли ви кладете шматок мідного металу у воду, реакція не виникає. Таким чином, хімічна властивість натрію полягає в тому, що він реагує з водою, а хімічна властивість міді полягає в тому, що це не так.

Які ще можна навести приклади хімічних явищ та фізичних? Хімічні реакції завжди відбуваються між електронами у валентних оболонках атомів елементів у періодичній таблиці. Фізичні явища на низьких енергетичних рівнях включають механічні взаємодії - випадкові зіткнення атомів без хімічних реакцій, таких як атоми або молекули газу. Коли енергії зіткнень дуже великі, цілісність ядра атомів порушується, що призводить до поділу чи злиття залучених видів. Спонтанний радіоактивний розпад вважається фізичним явищем.

З давніх-давен люди збирали відомості про той світ, в якому вони живуть. Існувала лише одна наука, що об'єднує всю інформацію про природу, яку людство накопичило на той момент. Тоді люди ще не знали, що вони спостерігають приклади фізичних явищ. Нині така наука зветься «природознавство».

Що вивчає фізична наука

Згодом наукові уявлення про навколишній світ помітно змінилися - їх побільшало. Природознавство розкололося багато окремих наук, серед яких: біологія, хімія, астрономія, географія та інші. У цих наук не останнє місце займає фізика. Відкриття і досягнення в цій галузі дозволили людству мати нові знання. До них можна віднести структуру та поведінку різних об'єктів будь-яких розмірів (починаючи з гігантських зірок і закінчуючи найдрібнішими частинками - атомами та молекулами).

Фізичне тіло...

Існує спеціальний термін «матерія», яким у колах вчених називають усе, що є довкола нас. Фізичне тіло, що складається з матерії - це будь-яка речовина, що займає певне місце в просторі. Будь-яке фізичне тіло у дії можна назвати прикладом фізичного явища. Маючи це визначення, можна сказати, що будь-який предмет є фізичним тілом. Приклади фізичних тіл: кнопка, блокнот, люстра, карниз, місяць, хлопчик, хмари.

Що таке фізичне явище

Будь-яка матерія перебуває у постійній зміні. Одні тіла рухаються, інші стикаються з третіми, четверті крутяться. Недарма багато років тому філософом Гераклітом було виголошено фразу «Все тече, все змінюється». Вчені мають навіть спеціальний термін таких змін - це все явища.

До фізичних явищ відноситься все те, що рухається.

Які існують типи фізичних явищ

• Теплові.

Це явища, коли через вплив температури деякі тіла починають трансформуватися (змінюється форма, розмір та стан). Приклад фізичних явищ: під впливом теплого весняного сонця тануть бурульки і перетворюються на рідину, з настанням холодів калюжі замерзають, кипляча вода стає парою.

• Механічні.

Ці явища характеризують зміну становища одного тіла стосовно іншим. Приклади: годинник іде, м'яч стрибає, дерево гойдається, ручка пише, вода тече. Усі вони перебувають у русі.

• електричні.

Характер цих явищ повністю виправдовує свою назву. Слово «електрика» сягає корінням у грецьку мову, де «електрон» означає «бурштин». Приклад досить простий і багатьом, напевно, знайомий. При різкому знятті з себе вовняного светра чується невеликий тріск. Якщо зробити це, відключивши в кімнаті світло, можна побачити іскорки.

• Світлові.

Тіло, що бере участь у явищі, яке пов'язане зі світлом, називають світиться. Як приклад фізичних явищ можна навести всім відому зірку нашої Сонячної системи - Сонце, а також будь-яку іншу зірку, лампу і навіть жучка-світлячка.

• Звукові.

Розповсюдження звуку, поведінка звукових хвиль при зіткненнях з перешкодою, а також інші явища, які так чи інакше пов'язані зі звуком, належать до цього типу фізичних явищ.

• Оптичні.

Вони відбуваються завдяки світлу. Так, наприклад, людина та тварини здатні бачити, бо є світло. У цю групу також включені явища поширення та заломлення світла, його відображення від предметів та проходження крізь різні середовища.

Тепер ви знаєте, які бувають фізичні явища. Однак варто розуміти, що між природними та фізичними явищами існує певна різниця. Так, за природного явища відбувається одночасно кілька фізичних явищ. Наприклад, при ударі блискавки в землю відбуваються такі звукове, електричне, теплове та світлове.