Fizyka - zjawiska optyczne

Zobacz slidy

Treść prezentacji

Slide 1

FIZYKA Zjawiska optyczne Autorzy: Monika Butryn Sylwia Kudyba KL. III d gim.

Slide 2

Zjawiska optyczne - Tęcza; - Zorza polarna; - Miraż; - Gloria; - Wieniec; - Halo; - Iryzacja; - Rozpraszanie; CIEKAWOSTKI - Słup świetlny; - Zielony błysk; - Parhelium;

Slide 3

Zjawiska optyczne występujące w przyrodzie. Przyroda, która stworzyła najpiękniejsze góry świata nie poskąpiła nam też innych doznań, które nie istotne w zwykłej szarej codzienności. Cóż znaczy tęcza, albo zachód słońca nad wieżowcami, kto fascynuje się burzą stojąc w ulicznym korku, lub poranną rosą na osiedlowym trawniku? Na przykład w górach można spotęgować swoje doznania upajając się nie tylko pięknymi widokami, ale także niesamowitymi zjawiskami meteo na ich tle. W ścisłej łączności z chmurami obserwowane są w atmosferze różne zjawiska optyczne (fotometeory). Zjawiska te nie mają znaczenia praktycznego, jednak dostarczają pewnych wiadomości o charakterze chmur, w których są obserwowane. Są one wywołane odbiciem, załamaniem, ugięciem i interferencją światła słonecznego lub księżycowego w chmurowych kropelkach wody lub kryształkach lodu. Niektóre z nich powtarzają się bardzo często, inne są wielką rzadkością i trzeba mieć dużo szczęścia, aby je zobaczyć. Co to jest światło? Pytanie to ludzie zaczęli zadawać sobie już dawno temu. Spoglądali w niebo i dziwili się mnogością zjawisk w atmosferze. Widzieli, że gdy Słońce wschodzi, niebo nad horyzontem jaśnieje, staje się czerwonawe, potem żółtawe, by na koniec zabarwić się na niebiesko. Kiedy zaś Słońce zachodzi, niebo zmienia swoją barwę od niebieskiej poprzez zieloną, żółtą, pomarańczową, by wreszcie stać się czerwone. Czasami nocą Księżyc otoczony jest kolorowymi pierścieniami o różnej intensywności. W ciągu dnia niebo często rozjaśnia się barwami tęczy. Termin optyka pochodzi od greckiego słowa optikos, co znaczy widzialny. Optyka jest nauką o świetle. Historia optyki zaczęta się w Grecji, dwa i pół tysiąca lat temu. Starożytni Grecy byli zafascynowani sekretami światła i widzenia. Badali kolory i zjawiska z nimi związane, jak na przykład tęcze. Udało im się nawet sformułować prawa rozchodzenia i odbijania się światła. Grecy wierzyli, że musi być jakiś kontakt pomiędzy widzianym obiektem a organem widzenia.

Slide 4

TĘCZA Tęcza - piękne zjawisko niebieskie - zawsze przyciągała uwagę człowieka. W dawnych czasach, gdy ludzie jeszcze bardzo mało wiedzieli o otaczającym ich świecie, traktowali tęczę jako znak niebios. I tak starożytni Grecy myśleli, że tęcza to uśmiech bogini Iris. Tęczę obserwuje się na tle chmur deszczowych lub deszczu w kierunku przeciwnym do położenia Słońca. Różnokolorowy łuk znajduje się zazwyczaj w odległości od 1 do 2 km od obserwatora, niekiedy można go zaobserwować w odległości od 2 do 3 m na tle kropel wodnych unoszących się w powietrzu wokół fontanny lub rozpylacza. Środek tęczy znajduje się na przedłużeniu prostej łączącej Słońce z okiem obserwatora na linii dosłonecznej. Kąt między linią poprowadzoną od oka obserwatora do zewnętrznego punktu podstawy tęczę głównej i linią dosłoneczną (zewnętrzny promień kątowy) wynosi 41-42. W momencie wschodu Słońca punkt przeciwsłoneczny znajduje się na linii horyzontu i tęcza ma kształt półokręgu. W miarę wznoszenia się Słońca punkt przeciwsłoneczny opuszcza się poniżej horyzontu i rozmiary tęczy zmniejszają się. Staje się ona tylko częścią półokręgu. Obserwator znajdujący się wysoko, na przykład w samolocie, widzi tęczę jako pełny okrąg z własnym cieniem pośrodku. Często obserwuje się drugą tęczę wtórna, współśrodkową względem pierwszej tęczy - głównej, o promieniu kątowym około 52 i o odwrotnym rozkładzie barw. Przy wysokości Słońca 41 tęcza główna przestaje być widzialna, a nad horyzontem wystaje jedynie część tęczy wtórnej, zaś przy wysokości Słońca przekraczającej 52 nie widać nawet tęczy wtórnej. Dlatego w średnich i równikowych w godzinach południowych tego zjawiska przyrody nigdy się nie obserwuje. W tęczy, podobnie jak w widmie, rozróżnia się siedem barw podstawowych pilnie przechodzących jedną w drugą. Kształt łuku, jaskrawości barw, szerokość pasm zależą od rozmiarów i liczby kropelek wody. Duże krople tworzą węższa tęczę z wyraźnie oddzielonymi barwami, zaś małe - łuk rozmyty, wyblakły a nawet biały. Właśnie dlatego jaskrawa, wąska tęcza widoczna jest latem po burzy, podczas której padają ciężkie krople deszczu.

Slide 5

Pierwsza teorię tęczy opracował w 1637 roku Kartezjusz. Objaśniał on tęczę jako zjawisko związane z odbiciem i załamaniem światła w kroplach deszczu. Teoria dyfrakcyjna tęczy została opracowana przez Airy ego. Dla niektórych kłopotliwe jest pytanie, dlaczego tęcza jest okrągła i występuje w postaci łuku? Wydaje im się bowiem, że skoro krople deszczu spadają chaotycznie, to również światło biegnące od nich w kierunku obserwatora powinno rozpraszać się chaotycznie i przed oczyma obserwatora powinna powstać zwarta ściana świetlna. Byłoby tak istotnie, gdyby na krople padało światło rozproszone z różnych kierunków. Wiemy jednak, że na kroplę deszczu padają równoległe wiązki światła i stąd też wszystkie promienie z kropli rozchodzą się i wpadają do oka pod określonym kątem w stosunku do padania promieni słonecznych (42 lub 52). Jeżeli oko znajdzie się w innym miejscu, nie pokrywającym się z tym kierunkiem (na przykład jeśli obserwator wzniesie się na samolocie), to po prostu nie zobaczy ono łuku. Najczęściej spotykamy jedną tęczę. Czasem się zdarza, że na nieboskłonie pojawiają się jednocześnie dwa tęczowe pasma, jedno nad drugim. Spotykamy się niekiedy, co prawda dość rzadko, większą liczbę łuków tęczy - trzy, cztery a nawet pięć jednocześnie.

Slide 6

Okazuje się, że tęcza może powstawać nie tylko od bezpośrednich promieni słonecznych; czasem powstaje ona także od odbitych promieni Słońca. Można to zobaczyć nad brzegami zatok, dużych rzek i jezior. Trzy lub cztery takie tęcze zwykłe i odbite- tworzą wtedy piękny widok. Ponieważ promienie Słońca odbite od powierzchni wody biegną z dołu do góry, to tęcza tworząca się w tych promieniach może czasem wyglądać zgoła nieoczekiwanie. Nie należy sądzić, że tęcz można zaobserwować tylko w ciągu dnia. Zdarza się ona i w nocy, co prawda bardzo słaba. Taką tęczę można ujrzeć po nocnym deszczu, kiedy zza chmur wyjrzy Księżyc. Jeżeli tęcza pojawia się wieczorem przed zachodem Słońca, ma ona kolor czerwony. Na pięć lub dziesięć minut przed zachodem Słońca wszystkie barwy tęczy oprócz czerwonej znikają, tęcza staje się bardzo czerwona i widoczna nawet po upływie 10 min. od zachodu Słońca. Piękny widok przedstawia tęcza na rosie. Można ją zaobserwować przy wschodzie Słońca na trawie pokrytej rosą. Tęcza taka ma kształt hiperboli.

Slide 7

ZORZA POLARNA Zorza polarna jest jednym z najwspanialszych widowisk, które daje nam przyroda. Jej światło pulsuje, zmienia swe barwy i natężenie. Przybiera kształty firanek, draperii, koron, wstęg i świetlistych smug. Przez cały czas obraz się zmienia. W przeciwieństwie do tęczy, której usytuowanie pozornie zmienia się w zależności od pozycji obserwatora, zorza polarna zawsze umiejscowiona jest w określonych miejscach w górnych warstwach atmosfery. Ma ona postać podobnych do płomieni łuków czy promieni, jednakże jej zadziwiający, nieziemski blask nie jest poświatą jakiegoś płomienia, lecz przypomina raczej światło wytwarzane przez wyładowania elektryczne w lampie neonowej. Zorze polarne - północna i południowa - najczęściej pojawiają się w dwóch pasach otaczających odpowiednio Biegun Północny i Biegun Południowy, w tak zwanych strefach zorzowych (ok. 20-25 stopni od bieguna magnetycznego). Zwykle rozciągają się z zachodu na wschód. Fakt, iż są niemal prostopadłe do kierunku wskazywanego przez igłę kompasową, każe przypuszczać, że mogą mieć coś wspólnego z polem magnetycznym Ziemi. Arktyczne niebo, zwłaszcza w północnej Kanadzie, północnej Norwegii i na Spitzbergenie, stanowi znakomite tło dla najwspanialszych widowisk, gdyż jest ciemniejsze i czystsze niż niebo nad gęsto zaludnionymi obszarami Europy. Najlepszym okresem do obserwacji zorzy polarnej północnej jest luty, gdy nad północnymi regionami polarnymi przez całe tygodnie nieprzerwanie zalegają układy wysokiego ciśnienia barometrycznego.

Slide 8

W tym okresie zorze można obserwować niemal podczas każdej nocy, gdy niebo jest czyste, chociaż w świetle Księżyca bywają one mniej wyraźne. Najjaśniejsze gwiazdy mogą być widoczne podczas trwania zorzy, ale jej blask jest dostatecznie silny, by móc przy nim czytać. Zorza pojawia się zwykle jako długa, pofalowana wstęga lub kurtyna, aczkolwiek czasami wygląda niczym rozmyta, bezkształtna, lecz świecąca masa. Jeżeli widoczna jest niemal nad głową, to patrząc na jej dolną krawędź odnosi się wrażenie, iż jest niezwykle cienka i wysoka; czasami rozciąga się w górę na wysokość 650-800 kilometrów, choć niektóre zorze mają wysokość zaledwie 30-50 kilometrów. Najwyższe zorze występują zwykle w tych warstwach atmosfery, które są oświetlane promieniami słonecznymi, nawet jeżeli dla obserwatora na powierzchni Ziemi Słońce znajduje się pod widnokręgiem. Z powodu krzywizny Ziemi zorze takie, widziane w, wydają się niskie. W rzeczywistości sięgają jednak wysoko w niebo, tyle że oddalone są o setki kilometrów. Poszczególne zorze mogą wyglądać tak, jakby składały się z przypadkowo następujących po sobie pięknych i delikatnie zabarwionych form, lecz typowy spektakl zorzy - zazwyczaj pobliżu widnokręgu związany z burzami magnetycznymi - odbywa się na ogół według pewnego scenariusza, w którym można rozróżnić pięć stadiów.

Slide 9

Pierwszą zapowiedzią rozpoczęcia się zorzy jest zwykle pojawienie się w północnej części nieba, wkrótce po zachodzie Słońca, łuku zielonego światła (zwanego cichym łukiem). Tworzą go pionowe warstwy lub kurtyny świetlne o grubości kilkuset metrów, które biegną wzdłuż linii o tej samej szerokości geomagnetycznej. Może się rozciągać na przestrzeni setek, a nawet tysięcy kilometrów i zwykle utrzymuje się bez większych zmian mniej więcej przez godzinę. Fakt, iż zorza polarna jest związana z polem magnetycznym Ziemi, nie wyjaśnia jeszcze przyczyn jej powstawania. Podziwiający jej jasne, pulsujące barwy Arystoteles stwierdził, że powietrze zmienia się w płynny ogień. Od wielu jednak lat wiadomo już, że zorze polarne wytwarzane są przez cząsteczki emitowane przez Słońce. Poruszają się one z tak olbrzymią prędkością, iż są zdolne przeniknąć głęboko w górne warstwy atmosfery ziemskiej, do jonosfery. I nwazja tych szybko poruszających się cząsteczek uderza w drobiny powietrza (głownie tlen i azot), które zaczynają wydzielać światło (luminescencję) i w ten sposób powstaje zorza polarna. Rozmaite jej postacie są wytwarzane przez różnego rodzaju cząsteczki. Zorze nabrały istotnego znaczenia praktycznego w latach dwudziestych naszego wieku, gdy po raz pierwszy wykorzystano odbicie fal radiowych od jonosfery w celu zwiększenia zasięgu komunikacji radiowej. Stwierdzono wówczas, że zorze pochłaniają niektóre sygnały radiowe i powodują niekorzystne odbicia innych. Jednakże dzisiaj sygnały radiowe są transmitowane z krążących na wysokich orbitach satelitów; przechodzą zatem prostopadle przez jonosferę i w znacznie mniejszym stopniu ulegają zaburzeniom.

Slide 10

Wiele pytań dotyczących zórz polarnych do dziś pozostaje jednak bez odpowiedzi. Na przykład zorzy często towarzyszą krótkotrwałe pola elektryczne w górnych warstwach atmosfery, które indukują prądy na powierzchni Ziemi. Prądy te zaburzają pracę dalekopisów i telefonów, wykorzystujących długie linie komunikacyjne, a także powodują błędne odczyty aparatury używanej do poszukiwań ropy naftowej lub minerałów. Silne prądy mogą nawet uruchomić wyłączniki awaryjne, powodując przerwy w dostawie prądu, jak to się wydarzyło w marcu 1968 roku w Quebecu, w Kanadzie.

Slide 11

MIRAŻ Zakrzywienie promienia w ośrodku o współczynniku załamania zmniejszającym się wraz ze zwiększaniem się wysokości. W ośrodku niejednorodnym światło rozchodzi się nieprostoliniowo. Jeśli wyobrazimy sobie ośrodek, w którym współczynnik załamania zmienia się w miarę zmiany wysokości i w wyobraźni dokonamy jego podziału na cienkie poziome warstwy, to rozpatrując warunki załamania światła przy przejściu z warstwy do warstwy, stwierdzimy, że w takim ośrodku promień światła powinien stopniowo zmieniać swój kierunek. Takiemu skrzywieniu promień świetlny ulega w atmosferze, w której z różnych przyczyn, głównie zaś z powodu jej nierównomiernego nagrzania, współczynnik załamania światła zmienia się w raz z wysokością. Powietrze nagrzewa się od powierzchni gleby, intensywnie pochłaniającej energię cieplną promieni słonecznych. I dlatego temperatura powietrza obniża się wraz z wysokością. Wiadomo również, że wraz z wysokością obniża się także gęstość powietrza. Ustalono, że w miarę wzrostu wysokości współczynnik załamania zmniejsza się, dlatego też promienie przechodzące przez atmosferę zakrzywiają się nachylając się ku Ziemi. Zjawisko to otrzymało nazwę normalnej refrakcji atmosferycznej.

Slide 12

Obliczono, że refrakcja atmosferyczna unosi przedmioty, znajdujące się na wysokości 30o- o 140 , na wysokości 15o- o 330 , na wysokości 5o- o 945 . Dla ciał znajdujących się na linii horyzontu wielkość ta dochodzi do 35 . Wartości te ulegają odchyleniom w jedną lub w drugą stronę w zależności od ciśnienia atmosferycznego i temperatury powietrza. Jednakże czasem, z tych czy innych przyczyn, w górnych warstwach atmosfery mogą pojawić się masy powietrza o temperaturze wyższej w porównaniu z warstwami niższymi. Mogą je przywiać wiatry z ciepłych krajów, na przykład z obszarów pustynnych. Jeśli w tym czasie w niższych warstwach znajduje się chłodne, gęste powietrze antycyklonu, to zjawisko refrakcji może wzmocnić się znacznie i promienie światła biegnące od przedmiotów znajdujących się na Ziemi w górę pod pewnym kątem do linii horyzontu mogą z powrotem powrócić na Ziemię. Powstawanie miraży dalekiego zasięgu. Miraże można także obserwować w gorące dni wzdłuż ściany długiej na co najmniej 10 m, oświetlonej przez słońce.

Slide 13

Dolne warstwy powietrza, rozgrzane od gleby, nie zdążyły się jeszcze unieść w górę, ich współczynnik załamania światła jest mniejszy niż warstw wyższych. Dlatego też promienie światła wychodzące od przedmiotów zakrzywiają się w powietrzu i trafiają do oka z dołu. Podobnie dzieje się z promieniami biegnącymi od innych punktów przedmiotu. W ten sposób obserwatorowi przedmiot wydaje się odwrócony. Skąd jednak bierze się woda? Woda - to odbicie nieboskłonu. Żeby zobaczyć miraż nie trzeba wcale jechać do Afryki. Można go zaobserwować również u nas w upalny, spokojny dzień lata nad rozpaloną powierzchnią szosy asfaltowej. Powstanie miraży jeziornych (lub dolnych).

Slide 14

Miraże te trwają jakiś czas w powietrzu a potem znikają. Miraże dalekiego zasięgu pojawiają się wówczas, gdy górne warstwy atmosfery okażą się z jakichś powodów, na przykład przy trafieniu tam nagrzanego powietrza, szczególnie rozrzedzone. Wtedy promienie wychodzące od przedmiotów znajdujących się na powierzchni Ziemi zakrzywiają się silnie i docierają do powierzchni Ziemi pod dużym kątem do horyzontu. Oko obserwatora rzutuje te promienie w tym kierunku, z którego wchodzą one do oka. Być może przyczyną dużej ilości miraży dalekiego zasięgu, zaobserwowanych na wybrzeżu Morza Śródziemnego jest bliskie sąsiedztwo Sahary... Masy gorącego powietrza unoszą się nad Saharą, a następnie przesuwają się na północ i tworzą sprzyjające warunki dla powstawania miraży. Miraże górne obserwuje się również w krajach północnych, gdy wieją ciepłe wiatry południowe. Górne warstwy atmosfery ulegają nagrzaniu, a niskie - ochładzają się z powodu topnienia dużych mas lodu i śniegu. Powstanie miraży górnego.

Slide 15

Specjalnym rodzajem mirażu jest fatamorgana, po raz pierwszy zaobserwowana nad Cieśniną Mesyńską, pomiędzy Półwyspem Apenińskim a Sycylią. Fatamorgana powoduje powstanie pionowych ścian i budowli zakończonych iglicami. Po włosku fata oznacza wróżkę. Legendarna Morgana była przyrodnią siostrą króla Artura i mieszkała w kryształowym pałacu na dnie morza. Używając magicznej mocy, potrafiła wznosić zamki z cienkich warstw powietrza. cdn.!