Издавна миражи, мерцающие фигуры в воздушной среде настораживали и ужасали людей. В наши дни ученые раскрыли многие тайны природы, в том числе и оптических явлений. Их не удивляют природные загадки, суть которых давно изучена. В средней школе сегодня проходят оптические явления на физике в 8 классе, так что понять их природу может любой ученик.
Основные понятия
Ученые древности считали, что человеческий глаз видит благодаря ощупыванию предметов тончайшими щупальцами. Оптика в то время была учением о зрении.
В средневековье оптика изучала свет и его суть.
Сегодня оптика - это часть физики, изучающая распространение света по разнообразным средам и его взаимодействие с другими веществами. Все вопросы, касающиеся зрения, изучает физиологическая оптика.
Оптические явления же - это проявления разноплановых действий, совершаемых лучами света. Их изучает атмосферная оптика.
Необычные процессы в атмосфере
Планету Земля окружает газовая оболочка, называемая атмосферой. Ее толщина составляет сотни километров. Ближе к Земле атмосфера более плотная, по направлению вверх разрежается. Физические свойства атмосферной оболочки постоянно меняются, слои смешиваются. Изменяют температурные показатели. Плотность, степень прозрачности сдвигаются.
От Солнца и прочих небесных светил по направлению к Земле идут световые лучи. Они проходят через атмосферу Земли, которая для них служит специфической оптической системой, меняющей свои характеристики. отражаются, рассеиваются, проходят через атмосферу, освещают землю. При определенных условиях путь лучей изгибается, поэтому возникают разнообразные феномены. Наиболее оригинальными оптическими явлениями физики считают:
- закат солнечного светила;
- появление радуги;
- северное сияние;
- мираж;
- гало.
Рассмотрим их подробнее.
Гало вокруг Солнца
Само слово «гало» по-гречески означает «круг». Какое оптическое явление лежит в его основе?
Гало - это процесс светопреломления и отражения лучей, возникающий в облачных кристаллах высоко в атмосфере. Выглядит явление как светящиеся лучи около Солнца, ограниченные темным интервалом. Обычно гало образуются перед циклонами и могут быть их предвестниками.
Водные капли замерзают в воздухе и принимают правильную призменную форму с шестью сторонами. Все знакомы с сосульками, появляющимися в нижних атмосферных слоях. Наверху такие ледяные иголочки свободно опускаются в вертикальном направлении. Кристаллические льдинки кружатся, спускаются на землю, при этом они имеют параллельное расположение по отношению к земле. Человек направляет зрение через кристаллы, которые выступают в роли линз и преломляют свет.
Другие призмы получаются плоскими или выглядят как звезды с шестью лучами. Лучи света, попадая на кристаллы, могут не подвергнуться преломлению или испытать ряд других процессов. Редко случается, чтобы все процессы были хорошо видны, обычно та или иная часть явления проявляется отчетливее, а другие представлены слабо.
Малое гало - это окружность вокруг солнца с радиусом примерно в 22 градуса. Цвет круга - красноватый изнутри, далее перетекает в желтый, белый и смешивается с голубым небом. Внутренняя область круга темная. Он образуется в результате светопреломления в иглах изо льда, летающих в воздухе. Лучи в призмах отклоняются под углом 22 градуса, поэтому те из них, которые прошли через кристаллы, наблюдателю показываются отклоненными на 22 градуса. Поэтому представляется темным.
Красный цвет преломляется меньше, показывается наименее отклоненным от солнца. Далее следует желтый. Прочие лучи перемешиваются и предстают взгляду белыми.
Бывает гало с углом в 46 градусов, оно располагается вокруг гало в 22 градуса. Его внутренняя область также красноватая, потому что свет претерпевает преломление в ледяных иголках, повернутых к солнцу на 90 градусов.
Известно и 90-градусное гало, оно слабо светится, почти не имеет цвета или окрашено красным с внешней стороны. Ученые данную разновидность пока не изучили в полной мере.
Гало вокруг Луны и прочие виды
Это оптическое явление часто видно, если на небе легкие облака и множество миниатюрных кристаллических льдинок. Каждый такой кристалл является своеобразной призмой. В основном их форма - вытянутые шестигранники. Свет входит в переднюю кристаллическую область и, выходя в противоположную часть, преломляется на 22 градуса.
В зимнее время около уличных фонарей в холодном воздухе можно разглядеть гало. Оно появляется из-за света фонаря.
Вокруг Солнца гало может сформироваться и в морозном заснеженном воздухе. Снежинки витают в воздухе, свет проходит сквозь облака. В вечернем закате этот свет становится красным. В прошлые века суеверные люди приходили в ужас от подобных явлений.
Гало может выглядеть как круг радужного цвета вокруг Солнца. Оно появляется, если в атмосфере много кристаллов с шестью гранями, но они не отражают, а преломляют лучи солнца. Большая часть лучей при этом рассеивается, не добираясь до нашего взгляда. Остальные лучи достигают человеческих глаз, и мы замечаем радужную окружность вокруг Солнца. Его радиус - примерно 22 градуса или 46 градусов.
Ложное Солнце
Ученые отметили, что окружность гало всегда более яркая по боковым сторонам. Это объясняется тем, что здесь встречаются вертикальное и горизонтальное гало. В местах их пересечения могут появиться ложные солнца. Особенно часто это бывает, когда Солнце находится недалеко от горизонта, в это время часть вертикального круга мы уже не видим.
Ложное солнце - это тоже оптическое явление, разновидность гало. Появляется оно из-за ледяных кристаллов с шестью гранями, имеющих форму, напоминающую гвозди. Такие кристаллы витают в атмосфере в вертикальном направлении, свет преломляется в их боковых гранях.
Может образоваться и третье «солнце», если над истинным солнцем виднеется только поверхностная часть круга гало. Оно может быть отрезком дуги или светящимся пятном непонятной формы. Порой ложные солнца настолько яркие, что их не отличишь от настоящего Солнца.
Радуга
Это виде неполного круга с разными цветами.
Религии древности считали от неба к земле. Аристотель полагал, что радуга появляется из-за отражения капель солнечного света. Какое оптическое явление еще способно так радовать человека, как это делает радуга?
В XVII веке Декарт изучил природу радуги. Позднее Ньютон проводил эксперименты со светом и дополнил теорию Декарта, но не смог понять формирования нескольких радуг, отсутствия в них отдельных цветовых оттенков.
Полная теория радуги был представлена в XIX веке астрономом из Англии Д. Эри. Именно ему удалось раскрыть все процессы радуги. Разработанная им теория принимается и в наши дни.
Радуга появляется тогда, когда свет солнца попадает на завесу дождевой воды в области неба, обратной от Солнца. Центр радуги размещается в точке с обратной стороны Солнца, то есть она не видна глазу человека. Дуга радуги - это часть круга вокруг этой центральной точки.
Цвета в радуге размещаются в определенном порядке. Он постоянен. Красный - по верхнему краю, фиолетовый - по нижнему. Между ними цвета идут в строгой расстановке. В радуге имеются не все существующие цвета. Преобладание зеленого цвета говорит о переходе к благоприятной погоде.
Полярное сияние
Это свечение в верхних магнитных слоях атмосферы из-за взаимовлияния атомов и элементов солнечного ветра. Обычно сияния обладают зеленым или синим оттенками с вкраплениями розового и красного. Они могут иметь форму ленты или пятна. Их всплески часто сопровождают шумные звуки.
Мираж
Простые миражные обманы знакомы любому человеку. Например, при езде по нагретому асфальту мираж представляется как Это ни у кого не вызывает удивления. Какое оптическое явление объясняет появление миражей? Остановимся на этом вопросе поподробнее.
Мираж - это оптическое физическое явление в атмосфере, в результате которого глаз видит предметы, скрытые от взгляда в обычных условиях. Это объясняется преломлением светового луча при протекании сквозь воздушные слои. Объекты, находящиеся на значительном удалении, при этом могут подняться или опуститься относительно своего истинного местоположения, а могут искажаться и приобретать причудливые очертания.
Брокенский призрак
Это явление, при котором на закате или восходе солнечного светила тень человека, находящегося на возвышении, приобретает непостижимые масштабы, поскольку попадает на облака, находящиеся поблизости. Это объясняется отражением и преломлением световых лучей водными каплями в туманных условиях. Феномен назвали по имени одной из высот германских гор Гарц.
Огни святого Эльма
Это светящиеся кисти голубой или фиолетовой окраски на мачтах морских суден. Огни могут появляться на горных возвышенностях, на зданиях внушительной высоты. Это явление возникает благодаря электроразрядам на концах проводников из-за того, что возрастает электрическая напряжённость.
Таковы рассматриваемые на уроках 8 класса оптические явления. Поговорим об устройствах оптики.
Конструкции в оптике
Оптическими приборами считаются устройства, преобразующие световое излучение. Обычно эти приборы работают в видимом свете.
Все оптические устройства можно подразделить на два вида:
- Приборы, в которых изображение получается на экране. Это фотоаппараты, киноаппараты, проекционные аппараты.
- Устройства, взаимодействующие с глазом человека, но не образующие изображений на экране. Это лупа, микроскоп, телескопы. Эти приборы считаются визуальными.
Фотоаппарат - это оптико-механическое устройство, применяемое для получения изображений предмета на фотопленке. Конструкция фотоаппарата включает в себя камеру и линзы, образующие объектив. Объектив создает перевернутое уменьшенное изображение объекта, фиксируемое на пленке. Это происходит благодаря действию света.
Изображение сначала невидимо, но, благодаря проявляющему раствору, становится видимым. Это изображение называют негативом, в нем светлые места выглядят темными, и наоборот. С негатива делают позитив на светочувствительной бумаге. С помощью фотоувеличителя изображение увеличивают.
Лупа - это линза или система линз, предназначенная для увеличения предметов в процессе их рассматривания. Лупу располагают рядом с глазом, подбирают расстояние, с которого предмет видится четко. Применение лупы основано на увеличении угла зрения, под которым рассматривается предмет.
Чтобы получить большее угловое увеличение, используют микроскоп. В этом устройстве увеличение предметов происходит благодаря оптической системе, состоящей из объектива и окуляра. Сначала угол зрения увеличивается объективом, далее - окуляром.
Итак, мы рассмотрели основные оптические явления и приборы, их разновидности и особенности.
Всё, что нас окружает: и живая, и неживая природа, находится в постоянном движении и непрерывно изменяется: движутся планеты и звёзды, идут дожди, растут деревья. И человек, как известно из биологии, постоянно проходит какие-либо стадии развития. Перемалывание зёрен в муку, падение камня, кипение воды, молния, свечение лампочки, растворение сахара в чае, движение транспортных средств, молнии, радуги – это примеры физических явлений.
И с веществами (железо, вода, воздух, соль и др.) происходят разнообразные изменения, или явления. Вещество может быть кристаллизировано, расплавлено, измельчено, растворено и вновь выделено из раствора. При этом его состав останется тем же.
Так, сахарный песок можно измельчить в порошок настолько мелкий, что от малейшего дуновения он будет подниматься в воздух, как пыль. Сахарные пылинки можно разглядеть лишь под микроскопом. Сахар можно разделить ещё на более мелкие части, растворив его в воде. Если же выпарить из раствора сахара воду, молекулы сахара снова соединяться друг с другом в кристаллы. Но и растворении в воде, и при измельчении сахар остаётся сахаром.
В природе вода образует реки и моря, облака и ледники. При испарении вода переходит в пар. Водяной пар – это вода в газообразном состоянии. При воздействии низких температур (ниже 0˚С) вода переходит в твёрдое состояние – превращается в лёд. Мельчайшая частичка воды – это молекула воды. Молекула воды является и мельчайшей частичкой пара или льда. Вода, лёд и пар не разные вещества, а одно и то же вещество (вода) в разных агрегатных состояниях.
Подобно воде, и другие вещества можно переводить из одного агрегатного состояния в другое.
Характеризуя то или другое вещество как газ, жидкость или твёрдое вещество, имеют в виду состояние вещества в обычных условиях. Любой металл можно не только расплавить (перевести в жидкое состояние), но и превратить в газ. Но для этого необходимы очень высокие температуры. Во внешней оболочке Солнца металлы находятся в газообразном состоянии, потому что температура там составляет 6000˚С. А, например, углекислый газ путём охлаждения можно превратить в «сухой лёд».
Явления, при которых не происходит превращений одних веществ в другие, относят к физическим явлениям. Физические явления могут привести к изменению, например, агрегатного состояния или температуры, но состав веществ останется тем же.
Все физические явления можно разделить на несколько групп.
Механические явления – это явления, которые происходят с физическими телами при их движении относительно друг друга (обращение Земли вокруг Солнца, движение автомобилей, полёт парашютиста).
Электрические явления – это явления, которые возникают при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов (электрический ток, телеграфирование, молния при грозе).
Магнитные явления – это явления, связанные с возникновением у физических тел магнитных свойств (притяжение магнитом железных предметов, поворот стрелки компаса на север).
Оптические явления – это явления, которые происходят при распространении, преломлении и отражении света (радуга, миражи, отражение света от зеркала, появление тени).
Тепловые явления – это явления, которые происходят при нагревании и охлаждении физических тел (таяние снега, кипение воды, туман, замерзание воды).
Атомные явления – это явления, которые возникают при изменении внутреннего строения вещества физических тел (свечение Солнца и звезд, атомный взрыв).
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Билет №1
1. Что изучает физика. Некоторые физические термины. Наблюдения и опыты. Физические величины. Измерение физических величин. Точность и погрешность измерений.
Физика - это наука о наиболее общих свойствах тел и явлений.
Каким образом человек познает мир? Каким образом он исследует явления природы, получая научные знания о нем?
Самые первые знания человек получает из наблюдений за природой.
Чтобы получить правильные знания порой простого наблюдения мало и нужно провести эксперимент– специально подготовленный опыт .
Опыты проводятся ученым по заранее продуманному плану с определенной целью .
Во время опытов проводятся измерения с помощью специальных приборов физических величин. Примерами физических величин являются: расстояние, объем, скорость, температура.
Итак, источником физических знаний являются наблюдения и опыты.
Физические законы основываются и проверяются на фактах, установленных опытным путем. Не менее важный способ познания – теоретическое описание явления . Физические теории позволяют объяснить известные явления и предсказать новые, еще не открытые.
Изменения, происходящие с телами, называются физическими явлениями.
Физические явления делятся на несколько видов.
Виды физических явлений:
1. Механические явления (например, движение машин, самолетов, небесных тел, течение жидкости).
2. Электрические явления (например, электрический ток, нагревание проводников с током, электризация тел).
3. Магнитные явления (например, действие магнитов на железо, влияние магнитного поля Земли на стрелку компаса).
4. Оптические явления (например, отражение света от зеркал, излучение световых лучей от различных источников света).
5. Тепловые явления (таяние льда, кипение воды, тепловое расширение тел).
6. Атомные явления (например, работа атомных реакторов, распад ядер, процессы, происходящие внутри звезд).
7. Звуковые явления (звон колокола, музыка, гром, шум).
Физические термины – это специальные слова, которыми пользуются в физике для краткости, определенности и удобства.
Физическое тело – это каждый окружающий нас предмет. (Показ физических тел: ручка, книга, парта)
Вещество - это всё то, из чего состоят физические тела. (Показ физических тел, состоящих из разных веществ)
Материя – это всё то, что существует во Вселенной независимо от нашего сознания (небесные тела, растения, животные и др.)
Физические явления – это изменения, происходящие с физическими телами.
Физические величины - это измеряемые свойства тел или явлений.
Физические приборы – это специальные устройства, которые предназначены для измерения физических величин и проведения опытов.
Физические величины:
высота h , масса m, путь s, скорость v , время t, температура t, объём V и т.д.
Единицы измерения физических величин:
Международная система единиц СИ:
(система интернациональная)
Основные:
Длина - 1 м - (метр)
Время - 1 с - (секунда)
Масса - 1 кг - (килограмм)
Производные:
Объем - 1 м³ - (метр кубический)
Скорость - 1 м/с - (метр в секунду)
В этом выражении:
число 10 - числовое значение времени,
буква «с» - сокращенное обозначение единицы времени (секунды),
а сочетание 10 с - значение времени.
Приставки к названиям единиц:
Чтобы было удобнее измерять физические величины, кроме основных единиц используют кратные единицы, которые в 10, 100, 1000 и т.д. больше основных
г - гекто (×100) к – кило (× 1000) М – мега (× 1000 000)
1 км (километр) 1 кг (килограмм)
1 км = 1000 м = 10³ м 1 кг = 1000 г = 10³ г
С давних времен люди собирали сведения о том мире, в котором они живут. Была лишь одна наука, объединяющая всю информацию о природе, которую человечество накопило на тот момент. Тогда еще люди не знали, что они наблюдают примеры физических явлений. В настоящее время такая наука носит название «естествознание».
Что изучает физическая наука
Со временем научные представления об окружающем мире заметно изменились - их стало гораздо больше. Естествознание раскололось на много отдельных наук, среди которых: биология, химия, астрономия, география и другие. В ряде этих наук не последнее место занимает физика. Открытия и достижения в этой области позволили человечеству обладать новыми знаниями. К ним можно отнести структуру и поведение различных объектов всяких размеров (начиная с гигантских звезд и заканчивая мельчайшими частицами - атомами и молекулами).
Физическое тело - это...
Существует специальный термин «материя», которым в кругах ученых называют все, что есть вокруг нас. Состоящее из материи физическое тело - это какое-либо вещество, занимающее определенное место в пространстве. Любое физическое тело в действии можно назвать примером физического явления. Опираясь на это определение, можно сказать, что любой предмет является физическим телом. Примеры физических тел: кнопка, блокнот, люстра, карниз, Луна, мальчик, облака.
Что такое физическое явление
Любая материя находится в постоянном изменении. Одни тела двигаются, другие соприкасаются с третьими, четвертые крутятся. Не зря много лет назад философом Гераклитом была произнесена фраза «Все течет, все меняется». У ученых есть даже специальный термин таким изменениям - это все явления.
К физическим явлениям относится все то, что движется.
Какие существуют типы физических явлений
- Тепловые.
Это явления, когда из-за воздействия температуры некоторые тела начинают трансформироваться (изменяется форма, размер и состояние). Пример физических явлений: под воздействием теплого весеннего солнца тают сосульки и превращаются в жидкость, с наступлением холодов лужи замерзают, кипящая вода становится паром.
- Механические.
Эти явления характеризуют смену положения одного тела по отношению к остальным. Примеры: часы идут, мяч прыгает, дерево качается, ручка пишет, вода течет. Все они находятся в движении.
- Электрические.
Характер этих явлений полностью оправдывает свое название. Слово «электричество» уходит корнями в греческий язык, где «электрон» значит «янтарь». Пример достаточно простой и многим наверняка знакомый. При резком снятии с себя шерстяного свитера слышится небольшой треск. Если проделать это, отключив в комнате свет, то можно увидеть искорки.
- Световые.
Тело, участвующее в явлении, которое связанно со светом, называют светящимся. В качестве примера физических явлений можно привести всем известную звезду нашей Солнечной системы - Солнце, а также любую другую звезду, лампу и даже жучка-светлячка.
- Звуковые.
Распространение звука, поведение звуковых волн при столкновениях с препятствием, а также иные явления, которые так или иначе связаны со звуком, относятся к этому типу физических явлений.
- Оптические.
Они происходят благодаря свету. Так, например, человек и животные способны видеть, потому что есть свет. В эту группу также включены явления распространения и преломления света, его отражение от предметов и прохождение сквозь разные среды.
Теперь вы знаете, какие бывают физические явления. Однако стоит понимать, что между природными и физическими явлениями существует определенная разница. Так, при природном явлении происходит одновременно несколько физических явлений. Например, при ударе молнии в землю происходят следующие явления: магнитное, звуковое, электрическое, тепловое и световое.
Человек живет в мире природы. Ты сам и все, что тебя окружает, - воздух, деревья, река, солнце - это различные объекты природы
. С объектами природы постоянно происходят изменения, которые называются природными явлениями
.
С древних времен люди пытались понять: как и почему происходят различные явления? Как летают птицы и почему они не падают? Как может дерево плыть по воде и почему оно не тонет? Некоторые природные явления - гром и молния, солнечное и лунное затмения - пугали людей, пока ученые не выяснили, как и почему они возникают.
Наблюдая и изучая явления, происходящие в природе, люди нашли им применение в своей жизни. Наблюдая за полетом птиц (рис. 1), люди сконструировали самолет (рис. 2).
 |  |
| Рис. 1 | Рис. 2 |
Наблюдая за плавающим деревом, человек научился строить корабли, покорил моря и океаны. Изучив способ передвижения медузы (рис. 3), ученые придумали ракетный двигатель (рис. 4). Наблюдая за молнией, ученые открыли электричество, без которого сегодня люди не могут жить и работать. Всевозможные бытовые электрические устройства (осветительные лампы, телевизоры, пылесосы) окружают нас повсюду. Различные электрические инструменты (электродрель, электропила, швейная машинка) используются в школьных мастерских и на производстве.
Ученые разделили все физические явления на группы (рис. 6):
 |
| Рис. 6 |
Механические явления
- это явления, происходящие с физическими телами при их движении относительно друг друга (обращение Земли вокруг Солнца, движение автомобилей, качание маятника).
Электрические явления
- это явления, возникающие при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов (электрический ток, молния).
Магнитные явления
- это явления, связанные с возникновением у физических тел магнитных свойств (притяжение магнитом железных предметов, поворот стрелки компаса на север).
Оптические явления
- это явления, возникающие при распространении, преломлении и отражении света (отражение света от зеркала, миражи, появление тени).
Тепловые явления
- это явления, связанные с нагреванием и охлаждением физических тел (кипение чайника, образование тумана, превращение воды в лед).
Атомные явления
- это явления, возникающие при изменении внутреннего строения вещества физических тел (свечение Солнца и звезд, атомный взрыв).
Наблюдай и объясняй.
1. Приведи пример природного явления. 2. К какой группе физических явлений оно относится? Почему? 3. Назови физические тела, которые участвовали в физических явлениях.
