Zjawiska optyczne: przykłady natury i ciekawe fakty

Osoba nieustannie boryka się ze zjawiskami świetlnymi. Wszystko, co wiąże się z pojawieniem się światła, jego propagacją i interakcją z materią, nazywane jest zjawiskami świetlnymi. Żywymi przykładami zjawisk optycznych mogą być: tęcza po deszczu, błyskawica podczas burzy, migoczące gwiazdy na nocnym niebie, gra światła w strumieniu wody, zmienność oceanu i nieba oraz wiele innych.

Uczniowie otrzymują naukowe wyjaśnienie zjawisk fizycznych i przykładów optycznych w siódmej klasie, kiedy zaczynają studiować fizykę. Dla wielu osób optyka będzie najbardziej fascynującą i tajemniczą sekcją w szkolnym programie fizyki.

Co widzą ludzie?

Oczy danej osoby są ułożone tak, aby mógł dostrzegać tylko kolory tęczy. Dziś już wiadomo, że spektrum tęczy nie ogranicza się do czerwieni z jednej strony i fioletu z drugiej. Podczerwień jest za czerwonym, ultrafiolet jest za fioletem. Wiele zwierząt i owadów jest w stanie zobaczyć te kolory, ale ludzie, niestety, nie mogą. Z drugiej jednak strony człowiek może tworzyć urządzenia, które odbierają i emitują fale świetlne o odpowiedniej długości.

Załamanie promieni

Widoczne światło to tęcza kolorów, a światło koloru białego, na przykład słonecznego, jest prostą kombinacją tych kolorów. Jeśli umieścisz pryzmat w wiązce jasnego białego światła, rozpadnie się na kolory lub fale o różnej długości, z których się składa. Czerwony pojawia się jako pierwszy i zawiera więcej długość fali następnie pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski i wreszcie fioletowy, który ma najkrótszą długość fali w świetle widzialnym.

Jeśli weźmiesz inny pryzmat, aby złapać tęczę i odwrócić ją do góry nogami, to sprawi ona, że ​​wszystkie kolory będą białe. Istnieje wiele przykładów zjawisk optycznych w fizyce, rozważymy niektóre z nich.

Dlaczego niebo jest niebieskie?

Młodzi rodzice często są zdezorientowani najprostszymi, na pierwszy rzut oka, problemami z ich małymi problemami społecznymi. Czasami najtrudniej jest na nie odpowiedzieć. Praktycznie wszystkie przykłady zjawisk optycznych w przyrodzie można wytłumaczyć współczesną nauką.

Światło słoneczne, które oświetla niebo w ciągu dnia, jest białe, co oznacza, że ​​teoretycznie niebo powinno być również białe. Aby wyglądał na niebieski, niektóre procesy ze światłem są potrzebne w chwili, gdy przechodzi przez atmosferę Ziemi. Oto, co się dzieje: niektóre część świata przechodzi przez wolną przestrzeń między cząsteczkami gazu w atmosferze, docierając do powierzchni Ziemi i pozostając w tym samym kolorze białym, co na początku ścieżki. Ale światło słoneczne uderza w cząsteczki gazu, które, podobnie jak tlen, są pochłaniane i rozpraszane we wszystkich kierunkach.

Atomy w cząsteczkach gazu są aktywowane przez pochłonięte światło i ponownie emitują fotony światła na falach o różnej długości - od czerwonego do fioletowego. W ten sposób część światła trafia na Ziemię, a reszta wraca do Słońca. Jasność emitowanego światła zależy od koloru. Osiem fotonów niebieskiego światła powstaje dla każdego fotonu czerwieni. Dlatego niebieskie światło jest osiem razy jaśniejsze niż czerwone. Intensywne niebieskie światło emitowane jest ze wszystkich stron miliardów molekuł gazu i dociera do naszych oczu.

Kolorowy łuk

Ludzie zwykli myśleć, że tęcze to znaki, że bogowie je wysyłają. Rzeczywiście, piękne wielobarwne wstążki zawsze pojawiają się na niebie znikąd, a potem znikają równie tajemniczo. Dziś wiemy, że tęcza jest jednym z przykładów zjawisk optycznych w fizyce, ale nie przestajemy go podziwiać za każdym razem, gdy obserwujemy ją na niebie. Ciekawe, że każdy obserwator widzi inną tęczę stworzoną przez promienie światła dochodzące zza niego iz kropel deszczu przed nim.

Z czego są zrobione tęcze?

Przepis na te zjawiska optyczne w naturze jest prosty: kropelki wody w powietrzu, światło i obserwator. Ale nie wystarczy, że słońce pojawi się podczas deszczu. Powinien być niski, a obserwator powinien stać tak, aby słońce było za nim, i patrzeć na miejsce, w którym idzie lub właśnie padał deszcz.

Promień słońca wychodzący z dalekiej przestrzeni pokonuje kroplę deszczu. Działając jak pryzmat, kropla deszczu załamuje każdy kolor ukryty w białym świetle. Tak więc, kiedy biały promień przechodzi przez kroplę deszczu, nagle dzieli się na piękne kolorowe promienie. Wewnątrz kropli wpadają w jej wewnętrzną ścianę, która działa jak lustro, a promienie odbijają się w tym samym kierunku, z którego przeniknęły do ​​kropli.

W rezultacie oczy widzą tęczę kolorów w postaci łuku na niebie - światło zgięte i odbite przez miliony maleńkich kropel deszczu. Mogą działać jak małe pryzmaty, dzieląc białe światło na spektrum kolorów. Ale deszcz nie zawsze jest konieczny, aby zobaczyć tęczę. Światło może również być załamywane z mgły lub pary z morza.

Jakiego koloru jest woda?

Odpowiedź jest oczywista - woda jest niebieska. Jeśli wylejesz czystą wodę do szklanki, wszyscy zobaczą jej przezroczystość. Wynika to z faktu, że w szkle znajduje się za mało wody, a jej kolor jest zbyt jasny, aby ją zobaczyć.

Podczas napełniania dużego szklanego pojemnika można zobaczyć naturalny niebieski odcień wody. Jego kolor zależy od tego, w jaki sposób cząsteczki wody pochłaniają lub odbijają światło. Białe światło składa się z tęczy kolorów, a cząsteczki wody pochłaniają większość kolorów spektrum od czerwonego do zielonego, który przechodzi przez nie. Niebieska część jest odbijana z powrotem. Widzimy więc niebieski kolor.

Wschody i zachody słońca

Są to również przykłady zjawisk optycznych, które człowiek obserwuje każdego dnia. Kiedy słońce wschodzi i zachodzi, kieruje swoje promienie pod kątem do miejsca, w którym znajduje się obserwator. Mają dłuższą podróż niż wtedy, gdy słońce jest w zenicie.

Warstwy powietrza nad powierzchnią Ziemi często zawierają dużo kurzu lub mikroskopijnych cząstek wilgoci. Promienie słoneczne przechodzić pod kątem do powierzchni i filtrować. Czerwone promienie mają najdłuższą falę promieniowania i dzięki temu łatwiej lądują na ziemi niż niebieskie z krótkimi falami, które odbijają się od cząstek pyłu i wody. Dlatego podczas porannego i wieczornego świtu osoba obserwuje tylko część promieni słonecznych, które docierają do ziemi, a mianowicie czerwone.

Planeta świetlna

Typowa zorza to kolorowa poświata na nocnym niebie, którą można zobaczyć każdej nocy na biegunie północnym. Ogromne pasy niebiesko-zielonego światła zmieniające się w dziwaczne formy z pomarańczowymi i czerwonymi plamkami czasem osiągają ponad 160 km szerokości i mogą rozciągać się do 1600 km.

Jak wyjaśnić to zjawisko optyczne, które jest tak spektakularnym widokiem? Świecą się na Ziemi, ale są one spowodowane procesami zachodzącymi w odległym Słońcu.

Jak wszystko idzie?

Słońce jest ogromną kulą gazową, składającą się głównie z atomów wodoru i helu. Wszystkie mają protony z ładunkiem dodatnim i elektrony obracające się wokół nich z ładunkiem ujemnym. Ciągle halo gorącego gazu rozprzestrzenia się w kosmos w postaci wiatru słonecznego. To niezliczone protony i elektrony pędzące z prędkością 1000 km na sekundę.

Kiedy cząstki wiatru słonecznego docierają do Ziemi, przyciąga je silne pole magnetyczne planety. Ziemia jest gigantycznym magnesem z liniami magnetycznymi, które zbiegają się na biegunach północnym i południowym. Przyciągane cząsteczki znajdują się wzdłuż tych niewidzialnych linii w pobliżu biegunów i zderzają się z atomami azotu i tlenu, które składają się na atmosferę ziemską.

Niektóre z atomów Ziemi tracą elektrony, inne są naładowane nową energią. Po zderzeniu z protonami i elektronami Słońca wydzielają fotony światła. Na przykład, azot, który stracił elektrony, przyciąga fioletowe i niebieskie światło, a naładowany azot świeci ciemnoczerwonym światłem. Naładowany tlen wydziela zielone i czerwone światło. Tak więc naładowane cząstki powodują przepełnienie powietrza wieloma kolorami. To jest zorza polarna.

Mirages

Natychmiast należy stwierdzić, że miraże nie są owocem ludzkiej wyobraźni, mogą nawet zostać sfotografowane, są niemal mistycznymi przykładami optycznych zjawisk fizycznych.

Istnieje wiele świadectw na temat obserwacji miraży, ale nauka może dostarczyć naukowe wyjaśnienie tego cudu. Mogą być proste, takie jak kawałek wody wśród gorących piasków, i mogą być niewiarygodnie skomplikowane, tworząc wizje wiszących zamków z kolumnami lub fregatami. Wszystkie te przykłady zjawisk optycznych są tworzone przez grę światła i powietrza.

Fale świetlne wyginają się, gdy najpierw przechodzą przez ciepłe, a następnie zimne powietrze. Gorące powietrze jest bardziej rozrzedzone niż zimne powietrze, więc jego cząsteczki są bardziej aktywne i rozchodzą się na dalsze odległości. Wraz ze spadkiem temperatury ruch cząsteczek również maleje.

Wizje obserwowane przez soczewki atmosfery ziemskiej można silnie modyfikować, kompresować, rozszerzać lub odwracać. Dzieje się tak, ponieważ promienie światła uginają się, przechodząc przez ciepłe, a następnie zimne powietrze i na odwrót. I te obrazy, które niosą ze sobą strumień światła Na przykład niebo może odbijać się w gorącym piasku i wydawać się kawałkiem wody, który zawsze się oddala, gdy się zbliża.

Najczęściej iluzje można obserwować na dużych odległościach: na pustyniach, morzach i oceanach, gdzie jednocześnie mogą znajdować się gorące i zimne warstwy powietrza o różnej gęstości. To przejście przez różne warstwy temperaturowe jest w stanie skręcić falę światła i uzyskać w rezultacie wizję, która jest odbiciem czegoś i przedstawiona przez fantazję jako rzeczywiste zjawisko.

Halo

W przypadku większości iluzji optycznych, które można zaobserwować gołym okiem, wyjaśnieniem jest załamanie światła słonecznego w atmosferze. Jednym z najbardziej niezwykłych przykładów zjawisk optycznych jest halo słoneczne. W rzeczywistości halo to tęcza wokół Słońca. Różni się jednak od zwykłej tęczy zarówno pod względem wyglądu, jak i właściwości.

Zjawisko to ma wiele odmian, z których każda jest piękna na swój sposób. Ale w przypadku pojawienia się wszelkiego rodzaju złudzeń optycznych konieczne są pewne warunki.

Halo pojawia się na niebie, gdy kilka czynników się pokrywa. Najczęściej można to zaobserwować przy mroźnej pogodzie przy wysokiej wilgotności. W powietrzu znajduje się duża liczba kryształków lodu. Przełamując je, światło słoneczne załamuje się w taki sposób, że tworzy łuk wokół Słońca.

I choć ostatnie 3 przykłady zjawisk optycznych można łatwo wytłumaczyć współczesną nauką, dla zwykłego obserwatora często pozostają tajemnicą i tajemnicą.

Biorąc pod uwagę główne przykłady zjawisk optycznych, można bezpiecznie uwierzyć, że wiele z nich zostało wyjaśnionych przez współczesną naukę, pomimo jej tajemniczości i tajemniczości. Jednak naukowcy wciąż mają przed sobą wiele odkryć, wskazówek dotyczących tajemniczych zjawisk, które występują na Ziemi i poza nią.