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.!