Реферат на тему «Примеры оптических явлений»

Введение

Оптические явления окружают человека с утра до вечера, и большинство из них настолько привычны, что их перестают замечать. Солнечный зайчик на стене, отражение в луже, ложка, которая в стакане чая кажется сломанной, синее небо днём и красное на закате, радуга после грозы, радужные разводы на мыльном пузыре — всё это примеры того, как свет взаимодействует с веществом. Физика объясняет каждое из них несколькими простыми законами, и в этом, пожалуй, главная красота оптики.

Оптическими явлениями называют явления, связанные с распространением света и его взаимодействием с веществом: отражением, преломлением, поглощением, рассеянием, дифракцией и интерференцией. В школьном курсе их изучают в 8 и 11 классах, сначала на уровне геометрической оптики, где свет представляют лучами, а затем на уровне волновой, где учитывается, что свет является электромагнитной волной. Многие природные явления удаётся объяснить уже на первом уровне, но для радужной окраски пузырей или крыльев бабочек нужен второй.

Тема важна не только для того, чтобы понимать природу. На оптических явлениях построены очки и контактные линзы, фотоаппараты и микроскопы, оптоволоконные линии связи, по которым идёт интернет, лазерные дальномеры и солнечные батареи. Инженер, конструирующий камеру для смартфона, решает те же задачи об отражении и преломлении, что и школьник на уроке, только с гораздо большей точностью.

В реферате собраны и объяснены примеры оптических явлений, которые можно наблюдать в повседневной жизни и в природе. Сначала рассмотрены явления геометрической оптики, то есть прямолинейное распространение света, тени, отражение и преломление, затем полное внутреннее отражение и дисперсия, а во второй главе волновые явления и атмосферная оптика: миражи, гало, полярные сияния. Изложение опирается на школьные учебники физики, курс оптики Г. С. Ландсберга и книгу бельгийского астронома Марселя Миннарта «Свет и цвет в природе».

Глава 1. Явления геометрической оптики

1.1 Прямолинейное распространение света, тени и отражение

Самый простой пример оптического явления — тень. Свет в однородной среде распространяется прямолинейно, и если на его пути встречается непрозрачный предмет, за ним образуется область, куда лучи не попадают. При маленьком источнике света тень получается резкой, а при большом, например при пасмурном небе, у неё появляются размытые края, полутень, потому что часть источника предмет закрывает, а часть нет.

Самая грандиозная тень, которую можно увидеть, это тень Луны на Земле во время солнечного затмения. Луна закрывает Солнце, и на земной поверхности бежит пятно полной тени шириной не больше двухсот-трёхсот километров, а вокруг лежит широкая полоса полутени, где затмение частное. Такие затмения в одной и той же местности случаются редко, в среднем раз в несколько сотен лет, и в России последнее полное солнечное затмение наблюдалось в 2008 году в Сибири.

Отражение света знакомо всем по зеркалу. По закону отражения угол падения луча равен углу отражения, и гладкая поверхность отражает пучок лучей упорядоченно, поэтому в ней видно изображение. Шероховатая поверхность, например лист бумаги, рассеивает свет во все стороны, и изображения в ней нет, зато она видна с любой точки комнаты. Именно благодаря рассеянному отражению мы вообще видим предметы, которые сами не светятся.

Основные оптические явления, их причина и примеры из жизни сведены в таблицу 1. Таблица поможет быстро найти, к какой группе относится то или иное наблюдение.

Таблица 1 — Оптические явления и примеры из жизни

1.2 Преломление и полное внутреннее отражение

Ложка в стакане с водой кажется надломленной на границе воды и воздуха, и это самый известный пример преломления. Свет в воде распространяется медленнее, чем в воздухе, примерно в 1,33 раза, и на границе двух сред луч меняет направление. Глаз же по привычке считает, что свет шёл по прямой, и «видит» подводную часть ложки не там, где она находится.

Насколько сильно вещество преломляет свет, показывает показатель преломления, то есть отношение скорости света в вакууме к скорости света в веществе. На рисунке 1 приведены показатели преломления нескольких прозрачных веществ по справочным данным для жёлтого света.

Из того же явления следует, что водоём кажется мельче, чем он есть на самом деле, примерно на четверть. Купальщики, которые оценивают глубину на глаз, нередко ошибаются, и физики в школьных задачах любят напоминать об этом. Рыболовы, бьющие рыбу острогой, с давних пор знают, что целиться надо ниже того места, где рыба видна.

На преломлении работают и все линзы, от лупы до объектива телескопа. Собирающая линза, толстая в середине и тонкая по краям, отклоняет лучи к оси и сводит их в точку, а рассеивающая, наоборот, разводит, и именно такими линзами очки исправляют близорукость. Наш собственный глаз тоже устроен как оптический прибор: хрусталик меняет кривизну под действием мышц и фокусирует изображение на сетчатке, а когда с возрастом он теряет эластичность, человеку требуются очки для чтения.

Если свет идёт из воды или стекла в воздух под достаточно большим углом, он вообще не может выйти наружу и полностью отражается обратно. Это называется полным внутренним отражением, и на нём основана работа оптоволокна: луч света, попав в тонкую стеклянную нить, многократно отражается от её стенок и проходит десятки километров почти без потерь. По таким нитям, проложенным по дну океанов, сегодня идёт подавляющая часть международного интернет-трафика.

Полным внутренним отражением объясняется и игра бриллианта. У алмаза очень большой показатель преломления, около 2,42, поэтому критический угол у него маленький, всего около 24 градусов, и свет, попавший в камень, многократно отражается от граней внутри, прежде чем выйти наружу. Ювелиры подбирают огранку так, чтобы как можно больше света возвращалось к глазу, и именно поэтому бриллиант сверкает сильнее стекла той же формы.

1.3 Дисперсия и радуга

В 1666 году Исаак Ньютон пропустил солнечный луч через стеклянную призму и увидел на стене цветную полосу от красного до фиолетового. Из этого опыта он сделал вывод, что белый свет состоит из смеси цветов, а стекло преломляет их по-разному: фиолетовые лучи сильнее, красные слабее. Зависимость показателя преломления от цвета, то есть от длины волны, называют дисперсией.

Радуга — дисперсия в природном масштабе. Солнечный свет попадает в капли дождя, преломляется при входе, отражается от задней стенки капли и снова преломляется при выходе, а разные цвета выходят под немного разными углами. Поэтому радугу видно только тогда, когда солнце находится за спиной наблюдателя, а дождь впереди, и её дуга всегда лежит под углом около 42 градусов к направлению, противоположному солнцу.

Иногда над основной радугой видна вторая, более бледная, у которой цвета расположены в обратном порядке. Она возникает, когда свет отражается внутри капли дважды, и между двумя радугами небо кажется темнее, чем вокруг, эта полоса называется тёмной полосой Александра, по имени древнегреческого философа Александра Афродисийского, описавшего её около 200 года.

Радугу можно получить и самому, не дожидаясь дождя. Достаточно в солнечный день встать спиной к солнцу и распылить перед собой воду из садового шланга или пульверизатора, и в облачке брызг появится маленькая цветная дуга. Такой опыт хорошо показывает, что для радуги нужны только солнечный свет, капли воды и правильное положение наблюдателя.