Törött gerenda. Fizikai kézikönyv

A fénytörés a sugár irányának változása két különböző sűrűségű közeg határán.

Magyarázat: a vízbe zuhanó fénysugár két közeg határán (vagyis a víz felszínén) megváltoztatja irányát. A sugár szó szerint megtörik. Ezt a jelenséget fénytörésnek nevezik. Ez azért történik, mert a víz és a levegő sűrűsége eltérő. A víz sűrűbb a levegőnél, és a felszínére eső fénysugár sebessége lelassul. Így a víz optikailag sűrűbb közeg.

A közeg optikai sűrűségét különböző fényterjedési sebességek jellemzik.

törési szög (ϒ) a megtört nyaláb és a sugár beesési pontjára bezárt merőleges szög a két közeg határfelületén.

Magyarázat:

A sugár egy bizonyos ponton a víz felszínére esett és megtört. Ebből a pontból húzzunk merőlegest ugyanabba az irányba, amerre a megtört sugár „elment” – esetünkben a merőleges a tározó alja felé irányul. Az e merőleges és a megtört nyaláb által alkotott szöget törésszögnek nevezzük.

Ha a fény egy optikailag kevésbé sűrű közegből egy optikailag sűrűbb közegbe jut, akkor a törésszög mindig kisebb, mint a beesési szög.

Például a vízbe eső fény beesési szöge nagyobb, mint a törésszög. Ennek az az oka, hogy a víz sűrűbb közeg, mint a levegő.

Bármely két különböző optikai sűrűségű adathordozóra a következő képlet igaz:

bűn α
--- = n
bűnϒ

ahol n a beesési szögtől független állandó érték.

Magyarázat:

Vegyünk három vízbe eső sugarat.

Beesési szögeik 30°, 45° és 60°.

Ezeknek a sugaraknak a törésszöge 23°, 33° és 42° lesz.

Ha összeállítjuk a beesési szögek és a törésszögek arányát, akkor ugyanazt a számot kapjuk:

sin 30° sin 45° sin 60°
--- = --- = --- ≅ 1,3
sin 23° sin 33° sin 42°

Így ha a nyaláb beesési szögét a vízre és a törési szögére osztjuk, 1,3-at kapunk. Ez egy állandó ( n ), amelyet a fenti képlet segítségével találhatunk meg.

A beeső sugár, a megtört nyaláb és a sugár beesési pontjából húzott merőleges egy síkban van.

A fénytörés jelensége.

Ha egy fénysugár olyan felületre esik, amely elválaszt két különböző optikai sűrűségű átlátszó közeget, például levegőt és vizet, akkor a fény egy része erről a felületről verődik vissza, a másik része pedig a második közegbe hatol. Amikor egyik közegből a másikba megy át, a fénysugár irányt változtat e közegek határán. Ezt a jelenséget fénytörésnek nevezzük.

Tekintsük részletesebben a fénytörést. Az n ábrán látható: beeső sugár AO, megtört sugár OVés merőleges CD, helyreállt az ütközés helyéről RÓL RŐL két különböző környezetet elválasztó felületre. Injekció AOC- beesési szög, szög DOB- törésszög. Törésszög DOB kisebb, mint a beesési szög AOC.

Egy fénysugár nál nél megváltoztatja irányát a levegőből a vízbe való átmenetben, megközelítve a merőlegest CD. A víz optikailag sűrűbb közeg, mint a levegő. Ha a vizet más, a levegőnél optikailag sűrűbb átlátszó közeggel helyettesítjük, akkor a megtört nyaláb is megközelíti a merőlegest. Ezért azt mondhatjuk: ha a fény optikailag kevésbé sűrű közegből sűrűbb közegbe kerül, akkor a törésszög mindig kisebb, mint a beesési szög.

A kísérletek azt mutatják, hogy azonos beesési szög esetén minél kisebb a törésszög, annál optikailag sűrűbb a közeg, amelybe a nyaláb behatol.
Ha egy tükröt a sugárra merőlegesen helyezünk el a megtört sugár útja mentén, akkor a fény visszaverődik a tükörről, és a beeső sugár irányában távozik a vízből a levegőbe. Ezért a beeső és megtört sugarak ugyanúgy visszafordíthatók, mint a beeső és a visszavert sugarak.
Ha a fény optikailag sűrűbb közegből kevésbé sűrű közegbe jut, akkor a sugár törésszöge nagyobb, mint a beesési szög.

Tegyünk egy kis kísérletet otthon. m otthon egy kis kísérlet. am egy ceruzát kell egy pohár vízbe tenni, és töröttnek tűnik. E Ez csak azzal magyarázható, hogy a ceruzából érkező fénysugarak vízben más irányúak, mint levegőben, vagyis a fény a levegő és a víz határán törik meg. Amikor a fény egyik közegből a másikba kerül, a ráeső fény egy része visszaverődik a határfelületen. A fény többi része behatol az új környezetbe. Ha a fény az interfészhez képest nem egyenes szögben esik, a fénysugár megváltoztatja irányát a határfelületről.
Ezt nevezik a fénytörés jelenségének. A fénytörés jelenségét két átlátszó közeg határán figyeljük meg és magyarázzuk el különböző sebességgel a fény terjedése különböző közegekben. Vákuumban a fénysebesség körülbelül 300 000 km/s, minden másban

tól től redah ez kevesebb.

Az alábbi ábrán egy sugár látható, amely levegőből vízbe megy át. Szöget hívnak sugárzási szög, de - törési szög. Vegye figyelembe, hogy a vízben a sugár megközelíti a normált. Ez akkor történik, amikor a sugár olyan közeget ér, ahol a fénysebesség kisebb. Ha a fény egyik közegből a másikba terjed, ahol nagyobb a fénysebesség, akkor eltér a normáltól.

A fénytörés számos jól ismert optikai csalódást okoz. Például a parton tartózkodó szemlélőnek úgy tűnik, hogy annak, aki derékig belépett a vízbe, rövidebb a lába.

A fénytörés törvényei.

Az elmondottakból a következő következtetést vonjuk le:
1 . Két eltérő optikai sűrűségű közeg határfelületén a fénysugár megváltoztatja irányát, amikor egyik közegből a másikba megy át.
2. Amikor egy fénysugár átmegy egy nagyobboptikai sűrűség törésszögkisebb, mint a beesési szög; amikor elhalad egy fénysugáronoptikailag sűrűbb közegből egy kisebbresűrű törésszög nagyobb, mint a pad szögeniya.
A fény törését visszaverődés kíséri, a beesési szög növekedésével pedig a visszavert sugár fényereje nő, a megtört pedig gyengül. Ez kísérletezéssel belátható ábrán látható. TÓL TŐL Következésképpen a visszavert sugár minél több fényenergiát visz magával, annál nagyobb a beesési szög.

Legyen MN- interfész két átlátszó közeg, például levegő és víz között, JSC- eső gerenda OV- megtört nyaláb, - beesési szög, - törésszög, - fény terjedési sebessége az első közegben, - fény terjedési sebessége a második közegben.

A törés első törvénye így hangzik: a beesési szög szinuszának és a törési szög szinuszának az aránya e két közeg esetében állandó:

, ahol a relatív törésmutató (a második közeg törésmutatója az elsőhöz viszonyítva).

A fénytörés második törvénye nagyon hasonló a fényvisszaverődés második törvényéhez:

a beeső sugár, a megtört sugár és a sugár beesési pontjára húzott merőleges egy síkban van.

Abszolút törésmutató.

A fény sebessége levegőben közel azonos a vákuumban lévő fény sebességével: m/s-el.

Ha vákuumból fény jut a közegbe, akkor

ahol n az abszolút törésmutató ezt a környezetet. Két közeg relatív törésmutatója, amely ezeknek a közegeknek az abszolút törésmutatójához kapcsolódik, ahol az első és a második közeg abszolút törésmutatója.

Abszolút törésmutatók:

Anyag

Gyémánt 2.42. Kvarc 1.54. Levegő (normál körülmények között) 1,00029. Etil-alkohol 1.36. Víz 1.33. Jég 1.31. Terpentin 1,47. Olvasztott kvarc 1.46. 1,52 CZK. Világos kovakő 1,58. Nátrium-klorid (só) 1,53.

(Amint később látni fogjuk, a törésmutató n némileg változik a fény hullámhosszától függően - csak vákuumban tart meg állandó értéket. Ezért a táblázatban megadott adatok sárga fénynek felelnek meg, hullámhossza .)

Például, mivel egy gyémánt esetében a fény sebességgel terjed a gyémántban

A közeg optikai sűrűsége.

Ha az első közeg abszolút törésmutatója kisebb, mint a második közeg abszolút törésmutatója, akkor az első közegnek kisebb az optikai sűrűsége, mint a másodiké és > . A közeg optikai sűrűségét nem szabad összetéveszteni egy anyag sűrűségével.

Fény áthaladása síkkal párhuzamos lemezen és prizmán.

Nagy gyakorlati jelentőséggel bír a fény átlátszó testeken való áthaladása. különféle formák. Nézzük a legegyszerűbb eseteket.
Irányítsunk fénysugarat egy vastag síkpárhuzamos lemezen (egy párhuzamos lapokkal határolt lemezen). A lemezen áthaladva a fénysugár kétszer törik meg: egyszer a lemezbe való belépéskor, másodszor a lemezből a levegőbe való távozáskor.

A lemezen áthaladó fénysugár párhuzamos marad az eredeti irányával, és csak kis mértékben tolódik el. Ez az eltolódás annál nagyobb, minél vastagabb a lemez és annál nagyobb a beesési szög. Az elmozdulás mértéke attól is függ, hogy milyen anyagból készült a lemez.
A síkpárhuzamos lemezre példa az ablaküveg. Ám a tárgyakat üvegen keresztül nézve nem észlelünk változást elrendezésükben és alakjukban, mert az üveg vékony; áthaladó fénysugarak ablaküveg, kissé mozgassa.
Ha egy tárgyat prizmán keresztül nézünk, akkor úgy tűnik, hogy az objektum elmozdult. Egy tárgyból érkező fénysugár egy ponton esik a prizmára DE, megtörik és a prizmán belülre megy egy irányba AB Miután elértük a prizma második lapját. a fénysugár ismét megtörik, eltér a prizma alapjához. Ezért úgy tűnik, hogy a sugár egy pontból származik. található a BC sugár folytatásán, vagyis a tárgy elmozdulni látszik a prizma törőlapjai által alkotott szög tetejére.

A fény teljes visszaverődése.

Gyönyörű látvány egy szökőkút, melyben belülről világítják meg a kilökődő fúvókákat. (Ez normál körülmények között ábrázolható a következő 1. számú kísérlettel). Ezt a jelenséget alább megmagyarázzuk.

Amikor a fény egy optikailag sűrűbb közegből egy optikailag kevésbé sűrű közegbe kerül, a fény teljes visszaverődésének jelensége figyelhető meg. A törésszög ebben az esetben nagyobb, mint a beesési szög (141. ábra). A forrásból érkező fénysugarak beesési szögének növelése S két adathordozó közötti interfészen MN eljön a pillanat, amikor a megtört nyaláb a két adathordozó közötti interfész mentén fog haladni, azaz = 90°.

A beesési szöget, amely megfelel a törésszögnek \u003d 90 °, a teljes visszaverődés határszögének nevezzük.

Ha ezt a szöget túllépjük, akkor a sugarak egyáltalán nem hagyják el az első közeget, csak a fényvisszaverődés jelensége figyelhető meg a két közeg határfelületéről.

A fénytörés első törvényéből:

Azóta .

Ha a második közeg a levegő (vákuum), akkor hol n - annak a közegnek az abszolút törésmutatója, amelyből a sugarak jönnek.

A tapasztalatban megfigyelt jelenség magyarázata meglehetősen egyszerű. A fénysugár végighalad a vízsugáron, és a határnál nagyobb szögben ütközik az ívelt felülettel, teljes belső visszaverődést tapasztal, majd ismét a határnál nagyobb szögben ütközik a sugár ellenkező oldalára. Tehát a sugár végighalad a sugáron, és vele együtt hajlik.

De ha a fény teljesen visszaverődik a sugárban, akkor kívülről nem lenne látható. A fény egy részét a víz, a légbuborékok és a benne lévő különféle szennyeződések, valamint a sugár egyenetlen felülete miatt szórják, így kívülről is látható.

 4.1. A geometriai optika alapfogalmai és törvényei

 A fény visszaverődésének törvényei.
 A tükrözés első törvénye:
A beeső és visszavert sugarak ugyanabban a síkban fekszenek a visszaverő felületre merőlegessel, amely a sugár beesési pontján van visszaállítva.
 A tükrözés második törvénye:
a beesési szög megegyezik a visszaverődés szögével (lásd 8. ábra).
α - beesési szög, β - visszaverődési szög.

 A fénytörés törvényei. törésmutató.
 A fénytörés első törvénye:
a beeső nyaláb, a megtört nyaláb és a határfelületre való beesési pontban helyreállított merőleges ugyanabban a síkban van (lásd 9. ábra).


 A fénytörés második törvénye:
a beesési szög szinuszának és a törésszög szinuszának aránya két adott közeg esetén állandó érték, és a második közeg relatív törésmutatójának nevezzük az elsőhöz viszonyítva.

A relatív törésmutató megmutatja, hogy az első közegben lévő fénysebesség hányszor tér el a második közegben lévő fény sebességétől:

 Teljes tükröződés.
Ha a fény egy optikailag sűrűbb közegből egy optikailag kevésbé sűrűbe kerül, akkor α > α 0 feltétel mellett, ahol α 0 a teljes visszaverődés határszöge, a fény egyáltalán nem lép be a második közegbe. Teljesen tükröződik a felületről, és az első médiumban marad. Ebben az esetben a fényvisszaverődés törvénye a következő összefüggést adja:

 4.2. A hullámoptika alapfogalmai és törvényei

 interferencia az a folyamat, amikor két vagy több forrásból származó hullámok egymásra helyeződnek, aminek eredményeként a hullámenergia térbeli újraeloszlása ​​következik be. A hullámenergia térbeli újraelosztásához szükséges, hogy a hullámforrások koherensek legyenek. Ez azt jelenti, hogy azonos frekvenciájú hullámokat kell kibocsátaniuk, és ezeknek a forrásoknak a rezgései közötti fáziseltolódás nem változhat az idő múlásával.
Az útkülönbségtől (∆) függően a sugarak szuperpozíciójában, maximális vagy minimális interferencia. Ha az azonos fázisú forrásokból érkező sugarak útjában a különbség ∆ egyenlő a hullámhosszok egész számával mλ (m egy egész szám), akkor ez a maximális interferencia:

ha páratlan szám félhullámok - minimális interferencia:

 Diffrakció nevezzük a hullám terjedésének eltérésének az egyenes iránytól, vagy a hullámenergia behatolását a geometriai árnyék tartományába. A diffrakció jól megfigyelhető olyan esetekben, amikor az akadályok és lyukak méretei, amelyeken a hullám áthalad, arányos a hullámhosszal.
Az egyik optikai műszer, amelyen jó megfigyelni a fény diffrakcióját diffrakciós rács. Ez egy üveglap, amelyre egymástól egyenlő távolságra lévő gyémánt vonásokat alkalmaznak. Az ütések közötti távolság - rácsállandó d. A rácson áthaladó sugarak minden lehetséges szögben elhajolnak. A lencse a fókuszsík egyik pontjában összegyűjti az azonos diffrakciós szögben haladó sugarakat. Más szögben haladva – más pontokon. Ezek a sugarak egymásra helyezve adják a diffrakciós mintázat maximumát vagy minimumát. A diffrakciós rácsban a maximumok megfigyelésének feltételei a következők:

ahol m- egész szám, λ - hullámhossz (lásd 10. ábra).

A FÉNY TÖRÖRÉSE A VÍZBŐL LEVEGŐ ÁTÁLLÁS ALATT

Egy vízbe mártott pálcika, egy kanál egy pohár teában, a víz felszínén tapasztalható fénytörés miatt számunkra megtörtnek tűnik.

Helyezzen egy érmét egy átlátszatlan edény aljára, hogy ne legyen látható. Most öntsön vizet az edénybe. Az érme látható lesz. A jelenség magyarázata egyértelműen kiderül a videóból.

Nézze meg a tó alját, és próbálja meg megbecsülni a mélységét. Legtöbbször nem működik megfelelően.

Vizsgáljuk meg részletesebben, hogy felülről nézve hogyan és mennyivel csökken a tározó mélysége.

Legyen H (17. ábra) a tározó valódi mélysége, amelynek alján egy kis tárgy, például kavics fekszik. Az általa visszavert fény minden irányba eltér. Egy bizonyos sugárnyaláb a víz felszínére az O pontban alulról a 1 szögben esik, megtörik a felszínen és bejut a szembe. A fénytörés törvénye szerint ezt írhatjuk:

de mivel n 2 \u003d 1, akkor n 1 sin a 1 \u003d sin ϒ 1.

A megtört sugár a B pontban lép be a szembe. Figyeljük meg, hogy nem egy sugár, hanem egy sugárnyaláb, amelynek keresztmetszetét a szem pupillája korlátozza.

A 17. ábrán a gerenda vékony vonalakként látható. Ez a nyaláb azonban keskeny, keresztmetszetét elhanyagolhatjuk, az AOB vonalnak tekintve.

A szem A-t az A 1 pontba vetíti, és a tározó mélysége egyenlőnek tűnik h-val.

Az ábráról látható, hogy a h tározó látszólagos mélysége a H valós értékétől és a ϒ 1 megfigyelési szögtől függ.

Fejezzük ki ezt a függőséget matematikailag.

Az AOC és A 1 OS háromszögekből a következőket kapjuk:

Az operációs rendszert ezekből az egyenletekből kizárva a következőket kapjuk:

Tekintettel arra, hogy a \u003d ϒ 1 és sin ϒ 1 \u003d n 1 sin a 1 \u003d n sin a, kapjuk:

Ebben a képletben a h tározó látszólagos mélységének a valós H mélységtől és a megfigyelési szögtől való függése nem jelenik meg kifejezetten. A függőség világosabb ábrázolása érdekében fejezzük ki grafikusan.

A grafikonon (18. ábra) az abszcissza tengely mentén a megfigyelési szögek értékeit fokban, az ordináta tengely mentén pedig a hozzájuk tartozó látszólagos mélységeket h a tényleges H mélység töredékében ábrázoljuk. görbe azt mutatja, hogy kis látószögeknél a látszólagos mélység

körülbelül a valós érték ¾-e, és a látószög növekedésével csökken. A = 47°-os megfigyelési szögnél teljes belső visszaverődés lép fel, és a sugár nem tud kiszabadulni a vízből.

MIRAGES

Inhomogén közegben a fény nem terjed egyenes vonalban. Ha elképzelünk egy közeget, amelyben a törésmutató alulról felfelé változik, és gondolatban vékony vízszintes rétegekre osztjuk,

majd figyelembe véve a fénytörés feltételeit a rétegről a rétegre való átmenet során, megjegyezzük, hogy ilyen közegben a fénysugárnak fokozatosan kell irányt váltania (19., 20. ábra).

A fénysugár olyan görbülete megy keresztül a légkörben, amelyben ilyen vagy olyan okokból, főként az egyenetlen felmelegedés miatt a levegő törésmutatója a magassággal változik (21. ábra).

A levegőt általában a talaj melegíti fel, ami elnyeli a napsugarak energiáját. Ezért a levegő hőmérséklete a magassággal csökken. Az is ismert, hogy a levegő sűrűsége a magassággal csökken. Megállapítást nyert, hogy a magasság növekedésével a törésmutató csökken, így a légkörön áthaladó sugarak elhajlanak, lehajlanak a Föld felé (21. ábra). Ezt a jelenséget normál légköri fénytörésnek nevezzük. A fénytörés miatt az égitestek valamivel a horizont fölé emelkednek (valódi magasságuk fölé).

A számítások szerint a légköri fénytörés 30°-os magasságban 1"40-el", 15°-os magasságban 3"30-kal, 5°-os magasságban 9"45-tel "emeli" a tárgyakat. A láthatáron lévő testek esetében ez az érték eléri a 35"-ot. Ezek a számok a légkör nyomásától és hőmérsékletétől függően egyik vagy másik irányba eltérnek. Azonban ilyen vagy olyan okból, felső rétegek Az atmoszférák olyan légtömegeknek bizonyulhatnak, amelyek hőmérséklete magasabb, mint az alsó rétegeké. A szelek forró országokból hozhatják őket, például egy forró sivatagi területről. Ha ilyenkor egy anticiklon hideg, sűrű levegője van az alsóbb rétegekben, akkor a fénytörés jelensége jelentősen fokozódhat, és a földi objektumokból felfelé, a horizonthoz képest meghatározott szögben kilépő fénysugarak visszatérhetnek a látótérbe. föld (22. ábra).

Előfordulhat azonban, hogy a Föld felszínén az erős felmelegedés hatására a levegő annyira felmelegszik, hogy a talaj közelében a fény törésmutatója kisebb lesz, mint a talaj felett bizonyos magasságban. Ha ugyanakkor nyugodt idő van, akkor ez az állapot meglehetősen hosszú ideig fennmaradhat. Ekkor a Föld felszínéhez elég nagy szögben beeső tárgyak sugarai annyira meghajlíthatók, hogy a Föld felszínéhez közeli ívet leírva alulról felfelé haladnak (23a. ábra). A 236. ábrán látható eset is lehetséges.

A fent leírt légköri állapotok magyarázzák az érdekes jelenségek - a légköri délibábok - előfordulását. Ezeket a jelenségeket általában három osztályba sorolják. Az első osztályba tartoznak a legelterjedtebb és legegyszerűbb eredetűek, az úgynevezett tavi (vagy alacsonyabb) délibábok, amelyek oly sok reményt és csalódást okoznak a sivatagi utazókban.

Gaspard Monge francia matematikus, aki részt vett az 1798-as egyiptomi hadjáratban, a következőképpen írja le a délibábok ezen osztályával kapcsolatos benyomásait:

„Amikor a Föld felszínét erősen felmelegíti a Nap, és még csak most kezd lehűlni az alkonyat beállta előtt, az ismerős terep már nem nyúlik le a horizontig, mint nappal, hanem úgy tűnik, kb. bajnokságot egy folyamatos árvízbe.

A távolabbi falvak úgy néznek ki, mint egy hatalmas tó szigetei. Minden falu alatt ott van a felborult tükörképe, csak nem éles, apró részletek nem látszanak, mint a szél lengetett vízben a tükörkép. Ha közeledni kezdesz egy olyan faluhoz, amelyet úgy tűnik, hogy árvíz vesz körül, a képzeletbeli vízpart távolodik, a vízág, amely elválasztott minket a falutól, fokozatosan leszűkül, mígnem teljesen eltűnik, és a tó ... most kezdődik mögötte. falu, tükrözve a távolabbi falvakat” (24. kép).

A jelenség magyarázata egyszerű. A talaj által felmelegített alsó levegőrétegeknek nem volt idejük felemelkedni; törésmutatójuk kisebb, mint a felsőké. Ezért a tárgyakból (például egy pálmafa B pontjából, 23a. ábra) a levegőben meghajló fénysugarak alulról jutnak a szembe. A szem sugarat vetít a B 1 pontba. Ugyanez történik az objektum más pontjairól érkező sugarakkal is. A tárgy a szemlélő számára felborultnak tűnik.

Honnan van a víz? A víz az égbolt tükörképe.

Ahhoz, hogy délibábot lássunk, nem kell Afrikába menni. Meleg, csendes nyári napon, aszfaltos autópálya fűtött felületén figyelhető meg.

A második osztályba tartozó délibábokat felsőbb vagy távoli látású délibáboknak nevezik. Az N. V. Gogol által leírt „hallatlan csoda” leginkább rájuk hasonlít. Több ilyen délibábról adunk leírást.

TÓL TŐL Cote d'Azur Franciaországban kora tiszta reggelen a Földközi-tenger vizéből, a horizontból sötét hegylánc emelkedik ki, amelyben a lakosok felismerik Korzikát. Korzika távolsága több mint 200 km, így a rálátás szóba sem jöhet.

Az angol tengerparton, Hastings közelében a francia tengerpart látható. Ahogy Niedige természettudós beszámol, „a calabriai Reggio közelében, a szicíliai partokkal és Messina városával szemben, egész ismeretlen területek legeltető csordákkal, ciprusligetekkel és kastélyokkal néha láthatók a levegőben. Rövid ideig a levegőben való tartózkodás után a délibábok eltűnnek.

Távollátó délibábok akkor jelennek meg, ha a légkör felső rétegei valamilyen okból különösen megritkulnak, például amikor fűtött levegő kerül oda. Ekkor a földi objektumokból kiinduló sugarak erősebben meghajlanak, és a horizonthoz képest nagy szöget bezáróan elérik a földfelszínt. A megfigyelő szeme abba az irányba vetíti őket, amerre belépnek.

Nyilván abban nagyszámú távoli látás délibábjait figyelik meg a Földközi-tenger partján, a Szahara sivatag a hibás. Forró légtömegek emelkednek föléje, majd elszállnak északra és létrejönnek kedvező feltételek délibábok megjelenésére.

Kiváló délibábok is megfigyelhetők északi országokban amikor a meleg déli szelek fújnak. A légkör felső rétegei felmelegednek, az alsó rétegek pedig lehűlnek a nagy tömegű olvadó jég és hó miatt.

Néha a tárgyak közvetlen és fordított képét is megfigyelik. A 25-27. ábrák pontosan ilyen jelenségeket mutatnak be a sarkvidéki szélességeken. Úgy tűnik, a Föld felett sűrűbb és ritkább légrétegek váltakoznak, amelyek megközelítőleg a 26. ábrán látható módon hajlítják meg a fénysugarakat.

Nehéz megmagyarázni a harmadik osztályú mirázsokat - ultrahosszú látást. Leírunk néhányat közülük.

„Több megbízható személy vallomása alapján – írja K. Flamarion az „Atmosphere” című könyvében –, beszámolhatok egy délibábról, amelyet Verviers városában (Belgium) láttak 1815 júniusában. Egy reggel a város lakói sereget láttak az égen, és olyan világos volt, hogy kivehették a tüzérek öltönyét, egy törött kerekű ágyút, amely mindjárt leesett... Reggel volt a waterlooi csata! Waterloo és Verviers közötti távolság egyenes vonalban 105 km.

Vannak esetek, amikor a délibábokat 800, 1000 vagy több kilométeres távolságban figyelték meg.

Itt van egy másik csodálatos eset. 1898. március 27-én éjszaka között Csendes-óceán a brémai „Matador” hajó legénysége megijedt a látomástól. Éjfél körül a legénység körülbelül két mérföldre (3,2 km-re) észlelt egy hajót, amely heves viharral küzdött.

Ez annál is meglepőbb volt, mert a környék nyugodt volt. A hajó áthaladt a Matador irányvonalán, és voltak pillanatok, amikor úgy tűnt, hogy elkerülhetetlen a hajók ütközése... A Matador legénysége látta, hogy egy ismeretlen hajóra irányuló erős hullámcsapás során a fény kialudt. a kapitány kabinjában, amely két ablakon keresztül folyamatosan látható volt. Egy idő után a hajó eltűnt, magával vitte a szelet és a hullámokat.

Később tisztázták az ügyet. Kiderült, hogy mindez egy másik hajóval történt, amely a "látás" idején a "Matador" felől érkezett, 1700 km távolságra.

Milyen módon terjed a fény a légkörben, hogy a tárgyakról ilyen nagy távolságban is különálló képek maradjanak meg? Erre a kérdésre még nincs pontos válasz. Felvetések hangzottak el a légkörben óriás léglencsék kialakulására, a másodlagos délibáb, azaz délibábból való délibáb késleltetésére. Lehetséges, hogy itt szerepet játszik az ionoszféra*, amely nemcsak a rádióhullámokat, hanem a fényhullámokat is visszaveri.

Úgy tűnik, a leírt jelenségek eredete megegyezik a tengereken megfigyelt más délibábokkal, amelyeket „repülő hollandnak” vagy „Fata Morganának” neveznek, amikor a tengerészek kísérteties hajókat látnak, amelyek aztán eltűnnek, és félelmet keltenek a babonás emberekben.

SZIVÁRVÁNY

A szivárvány – ez a gyönyörű égi jelenség – mindig is felkeltette az ember figyelmét. A régi időkben, amikor az emberek még nagyon keveset tudtak az őket körülvevő világról, a szivárványt "égi jelnek" tekintették. Tehát az ókori görögök azt hitték, hogy a szivárvány Irida istennő mosolya.

A szivárvány a Nappal ellentétes irányban figyelhető meg, esőfelhők vagy eső hátterében. A sokszínű ív általában a megfigyelőtől 1-2 km távolságra található, néha 2-3 m távolságra is megfigyelhető a szökőkutak vagy vízpermetezők által alkotott vízcseppek hátterében.

A szivárvány középpontja a Napot és a megfigyelő szemét összekötő egyenes folytatásán van - a napellenző vonalon. A fő szivárvány iránya és az antiszoláris vonal közötti szög 41-42° (28. ábra).

Napkeltekor az antiszoláris pont (M pont) a horizont vonalán van, és a szivárvány félkörnek tűnik. Ahogy a nap felkel, az antiszoláris pont a horizont alá esik, és a szivárvány mérete csökken. Ez csak egy kör része. Egy megfigyelőnek, aki magasan van, pl. repülőgép, a szivárvány látható teljes kör középen a megfigyelő árnyékával.

Gyakran van egy másodlagos szivárvány, amely koncentrikus az elsővel, körülbelül 52 °-os szögsugárral és a színek fordított elrendezésével.

41°-os Napmagasságnál a fő szivárvány megszűnik látszani, és a másodlagos szivárványnak csak egy része emelkedik ki a horizont fölé, 52°-nál nagyobb Napmagasságnál pedig a másodlagos szivárvány sem látszik. Ezért a középső és egyenlítői szélességeken ez a természeti jelenség soha nem figyelhető meg a közel déli órákban.

A szivárványnak, akárcsak a spektrumnak, hét alapszíne van, amelyek simán átváltanak egymásba. Az ív alakja, a színek fényereje, a csíkok szélessége a vízcseppek méretétől és számától függ. A nagy cseppek keskenyebb szivárványt hoznak létre, élesen feltűnő színekkel, a kis cseppek homályos, fakó és egyenletes fehér ívet hoznak létre. Ezért nyáron egy erős, keskeny szivárvány látható egy zivatar után, amely alatt nagy cseppek hullanak.

A szivárvány elméletét először 1637-ben R. Descartes adta elő. A szivárványt a fény esőcseppekben való visszaverődésével és törésével összefüggő jelenségként magyarázta.

A színek kialakulását és sorrendjét később, az összetett természet feltárása után fejtették ki fehér fényés diszperziója a közegben. A szivárvány diffrakciós elméletét Airy és Pertner dolgozta ki.

Fontolgat legegyszerűbb esetek: hulljon egy párhuzamos napfény egy golyó alakú cseppre (29. ábra). Az A pontban egy csepp felületére beeső sugár megtörik benne a törés törvénye szerint: n 1 sin a \u003d n 2 sin β, ahol n 1 \u003d 1, n 2 ≈ 1,33 - a levegő törésmutatói és víz, illetve a - beesési szög, β a fénytörés szöge.

A csepp belsejében a nyaláb AB egyenesen halad. A B pontban a nyaláb részben megtörik és részben visszaverődik. Vegyük észre, hogy minél kisebb a beesési szög a B pontban, és így az A pontban, annál kisebb a visszavert sugár intenzitása és annál nagyobb a megtört sugár intenzitása.

Az AB sugár a B pontban való visszaverődés után β 1 "= β 1 szögben halad át a C pontba, ahol a fény részleges visszaverődése és részleges fénytörése is előfordul. A megtört sugár y2 szögben hagyja el a cseppet, és a visszavert sugár mehet. tovább a D pontig stb. Így egy cseppben lévő fénysugár többszörös visszaverődésen és törésen megy keresztül.Minden visszaverődéssel a fénysugarak egy része kialszik és a cseppen belüli intenzitásuk csökken. A sugarak közül a legintenzívebb A levegőbe emelkedik az a sugár, amely a B pontban lévő cseppből bukkant elő. Ezt azonban nehéz megfigyelni, mivel az erős közvetlen napfény hátterében elveszik... A C pontban megtört sugarak együtt egy elsődleges szivárvány egy sötét felhő hátterében, és a sugarak megtörtek a D pontban

adjunk egy másodlagos szivárványt, amely az elmondottakból következően kevésbé intenzív, mint az elsődleges.

A K=1 esetre Θ = 2 (59°37" - 40°26") + 1 = 137° 30".

Ezért az elsőrendű szivárvány látószöge:

φ 1 \u003d 180 ° - 137 ° 30 "= 42 ° 30"

A másodrendű szivárványt adó DE" sugárra, azaz K = 2 esetén a következőt kapjuk:

Θ = 2 (59°37" - 40°26") + 2 = 236°38".

Másodrendű szivárvány látószög φ 2 = 180° - 234°38" = -56°38".

Ebből az következik (ez látható az ábrán is), hogy a vizsgált esetben másodrendű szivárvány nem látható a talajból. Ahhoz, hogy látható legyen, a fénynek alulról kell bejutnia a cseppbe (30. ábra, b).

A szivárvány kialakulásának mérlegelésekor még egy jelenséget kell figyelembe venni - a különböző hosszúságú fényhullámok, azaz a fénysugarak egyenlőtlen törését. különböző színű. Ezt a jelenséget diszperziónak nevezik. A diszperzió miatt a ϒ törésszög és a Θ sugarak elhajlási szöge egy cseppben különböző színű sugarak esetén. Három sugár – piros, zöld és lila – lefutását mutatja sematikusan a 30. ábra, az elsőrendű ívnél a, a 30. ábrán pedig a másodrendű ívnél a b.

Az ábrákon látható, hogy ezekben az ívekben a színek sorrendje ellentétes.

Leggyakrabban egy szivárványt látunk. Nem ritka az olyan eset, amikor két irizáló csík jelenik meg egyszerre az égen, egymás fölött; megfigyelhető azonban meglehetősen ritkán, és mégis több szivárványos égi ívek - három, négy, sőt öt egyszerre. Ezt az érdekes jelenséget a leningrádiak figyelték meg 1948. szeptember 24-én, amikor délután négy szivárvány jelent meg a felhők között a Néva felett. Kiderült, hogy a szivárvány nemcsak közvetlen napfénytől fordulhat elő; gyakran megjelenik a visszavert napsugarakban. Ez látható a tengeri öblök, nagy folyók és tavak partján. Három vagy négy ilyen szivárvány – közönséges és tükröződő – néha létrejön gyönyörű kép. Mivel a vízfelszínről visszaverődő Nap sugarai alulról felfelé haladnak, az ezekben a sugarakban kialakult szivárvány néha teljesen szokatlannak tűnhet.

Nem szabad azt gondolni, hogy a szivárvány csak nappal figyelhető meg. Ez éjszaka történik, de mindig gyenge. Ilyen szivárványt lehet látni egy éjszakai eső után, amikor a hold kinéz a felhők mögül.

A következő kísérletben a szivárványra hasonlíthatunk. Vegyünk egy lombik vizet, gyújtsuk meg napfény vagy egy lámpát a fehér táblán lévő lyukon keresztül. Ekkor egy szivárvány válik jól láthatóvá a táblán (31. ábra, a), és a sugarak eltérési szöge a kezdeti irányhoz képest körülbelül 41-42 ° (31.6. ábra). BAN BEN vivo nincs képernyő, a kép a szem retináján jelenik meg, és a szem ezt a képet a felhőkre vetíti.

Ha szivárvány jelenik meg este napnyugta előtt, akkor vörös szivárvány figyelhető meg. A naplemente előtti utolsó öt-tíz percben a szivárvány összes színe a vörös kivételével eltűnik, napnyugta után tíz perccel is nagyon világossá válik, láthatóvá válik.

Gyönyörű látvány a szivárvány a harmaton.

Napkeltekor figyelhető meg a harmattal borított füvön. Ez a szivárvány hiperbola alakú.

halos

Ha a réten a szivárványt nézi, önkéntelenül is észrevesz egy csodálatos színtelen fényglóriát - egy glóriát, amely körülveszi a feje árnyékát. Nem érzékcsalódásés nem a kontraszt jelensége. Amikor az árnyék az útra esik, a fényudvar eltűnik. Mi a magyarázata ennek az érdekes jelenségnek? A harmatcseppek minden bizonnyal fontos szerepet játszanak itt, hiszen amikor a harmat eltűnik, a jelenség eltűnik.

A jelenség okának kiderítéséhez végezze el a következő kísérletet. Vegyünk egy vízzel teli gömblombikot, és tegyük ki napfénynek. Hadd képviseljen egy cseppet. Helyezzen egy papírlapot a lombik mögé, közel hozzá, amely fűként fog működni. Nézze meg a lombikot kis szögben a beeső sugarak irányához képest. A papírról visszaverődő sugarak fényesen megvilágítják. Ezek a sugarak szinte pontosan a lombikra eső Nap sugarai felé haladnak. Vedd egy kicsit oldalra a szemed és fényes világítás az izzó már nem látszik.

Itt nem szórt, hanem irányított fénysugárral van dolgunk, amely a papír világos foltjából indul ki. Az izzó lencseként működik, amely felénk irányítja a fényt.

Párhuzamos napsugarak nyalábja, miután az izzóban megtört, a papíron többé-kevésbé fókuszált képet ad a Napról fényes folt formájában. A folt által kibocsátott fény nagy részét viszont az izzó felfogja, és a benne lévő fénytörés után visszairányítja a Nap felé, beleértve a szemünket is, hiszen háttal állunk a Napnak. Lencsénk optikai hiányosságai - a lombikok némi szórt fényáramot adnak, de a papír fényes pontjáról érkező fő fényáram mégis a Nap felé irányul. De miért nem zöld a fűszálakról visszaverődő fény?

Valójában enyhén zöldes árnyalatú, de többnyire fehér, hasonlóan a sima festett felületekről, például zöld vagy sárga tábláról vagy ólomüvegről visszaverődő fényhez.

De a harmatcseppek nem mindig gömb alakúak. Eltorzulhatnak. Aztán néhányan oldalra irányítják a fényt, de az átmegy a szemek mellett. Más cseppek, mint például a 33. ábrán láthatóak, olyan alakúak, hogy a rájuk eső fény egy-két visszaverődés után visszafelé irányul a Nap felé, és a neki háttal álló szemlélő szemébe kerül.

Végül meg kell jegyeznünk a jelenségnek még egy szellemes magyarázatát: csak azok a fűlevelek verik vissza a fényt irányirányban, amelyekre a Nap közvetlen fénye esik, vagyis azok, amelyeket nem takarnak el a Nap felőli más levelek. Ha figyelembe vesszük, hogy a legtöbb növény levelei mindig a Nap felé fordítják síkjukat, akkor nyilvánvaló, hogy elég sok lesz az ilyen tükröződő levél (33. ábra, e). Ezért harmat hiányában, simán kaszált rét vagy összenyomott tábla felületén is megfigyelhetők a fényudvarok.

Vegye figyelembe, hogyan változik a sugár iránya, amikor levegőből vízbe megy. A fény sebessége kisebb a vízben, mint a levegőben. Az a közeg, amelyben a fény terjedési sebessége kisebb, az optikailag sűrűbb közeg.

Ily módon a közeg optikai sűrűségét különböző fényterjedési sebességek jellemzik.

Ez azt jelenti, hogy optikailag kevésbé sűrű közegben nagyobb a fény terjedési sebessége. Például vákuumban a fény sebessége 300 000 km/s, üvegben pedig 200 000 km/s. Amikor egy fénysugár olyan felületre esik, amely elválaszt két különböző optikai sűrűségű átlátszó közeget, mint például a levegő és a víz, a fény egy része erről a felületről visszaverődik, a másik része pedig behatol a második közegbe. Amikor egyik közegből a másikba megy át, egy fénysugár irányt változtat a közeg határán (144. ábra). Ezt a jelenséget az ún fénytörés.

Rizs. 144. Fénytörés, amikor egy sugár a levegőből vízbe megy át

Tekintsük részletesebben a fénytörést. A 145. ábra mutatja: beeső sugár AO, megtört sugár OB és merőleges a két közeg közötti határfelületre, O beesési pontig húzva. Szög AOC - beesési szög (α), szög DOB - törésszög (γ).

Rizs. 145. A fénysugár törésének sémája levegőből vízbe való átmenet során

Egy fénysugár, amikor levegőből vízbe megy át, megváltoztatja irányát, megközelítve a merőleges CD-t.

A víz optikailag sűrűbb közeg, mint a levegő. Ha a vizet más, a levegőnél optikailag sűrűbb átlátszó közeggel helyettesítjük, akkor a megtört nyaláb is megközelíti a merőlegest. Ezért azt mondhatjuk, hogy ha a fény optikailag kevésbé sűrű közegből sűrűbb közegbe kerül, akkor a törésszög mindig kisebb, mint a beesési szög (lásd 145. ábra):

A két közeg határfelületére merőlegesen irányított fénysugár törés nélkül halad át egyik közegből a másikba.

A beesési szög megváltozásakor a törésszög is megváltozik. Minél nagyobb a beesési szög, annál nagyobb a törésszög (146. ábra). Ebben az esetben a szögek közötti kapcsolat nem marad meg. Ha a beesési és törési szögek szinuszainak arányát elkészítjük, akkor az állandó marad.

Rizs. 146. A törésszög függése a beesési szögtől

Bármely különböző optikai sűrűségű anyagpárra írhatjuk:

ahol n a beesési szögtől független állandó érték. Ez az úgynevezett törésmutató két környezetre. Minél nagyobb a törésmutató, annál jobban megtörik a nyaláb, amikor egyik közegből a másikba megy át.

Így a fény törése a következő törvény szerint történik: a beeső, megtört és a sugár beesési pontjában két közeg határfelületére húzott merőleges sugarai ugyanabban a síkban helyezkednek el.

A beesési szög szinuszának és a törésszög szinuszának aránya két közeg esetén állandó érték:

A fény a Föld légkörében megtörik, így a csillagokat és a Napot valódi helyük felett látjuk az égen.

Kérdések

1. Hogyan változik a fénysugár iránya (lásd 144. ábra), miután vizet öntünk az edénybe?
2. Milyen következtetéseket vonunk le a fénytöréssel kapcsolatos kísérletekből (lásd 144., 145. ábra)?
3. Milyen pozíciók teljesülnek a fény megtörésekor?

47. gyakorlat