Урок по физике 'Оптические явления в природе'

Баженов В.М.

Оптические явления в природе

... единственное, что имеет значение,

сколько света вы излучаете на жизненном пути.

Сэр Исаак Ньютон

Впервые объяснил

С помощью своего математического метода

Движения и формы планет,

Пути комет, приливы и отливы океана.

Он первый исследовал разнообразие световых лучей

И проистекающие отсюда особенности цветов,

Каких до того времени никто даже не подозревал.

Надпись на могиле Исаака Ньютона

в Вестминстерском аббатстве.

Задача №1 Что за маленькие расплывчатые точки, которые иногда усиливаются, а иногда уменьшаются у вас перед глазами?

Ответ: Пятнышки в глазу - это интерференционная картина, вызванная дифракцией света на круглых клетках крови, плавающих прямо перед жёлтым пятном сетчатки (область с повышенным содержанием колбочек). Клетки крови могут попасть в глаз из капилляров, разрушающихся вследствие старения, повышения кровяного давления, ударов. Под действием осмотического давления эти клетки раздуваются в шарики.

Задача №2 Почему цветные ткани выцветают на солнце?

Ответ: Ультрафиолетовое излучение, поглощаясь органическими молекулами красок, нарушает молекулярные связи. Это приводит к потере пигмента.

Задача №3 Почему лучи прожекторов, которые применяли во время войны для обнаружения самолётов, так резко обрываются в воздухе?

Ответ: Луч слабеет не только вследствие расхождения, но и из-за атмосферного рассеяния. Поэтому его интенсивность падает экспоненциально, обрывается довольно резко.

Задача №4 Если стать на горе спиной к солнцу и посмотреть в расстилающийся перед вами густой туман, то можно увидеть радужную каёмку (или замкнутое кольцо) вокруг тени головы. Почему возникает ореол и как в нём расположены цвета?

Ответ: Ореол возникает вследствие обратного (в сторону источника) рассеяния света каплями воды, размеры которых соразмерны длине световой волны. Возвращающийся свет входит в каплю сбоку и сбоку же, но с другой стороны, выходит, претерпев отражение внутри капли, а также обогнув её вдоль поверхности (дифракция). Угол обратного рассеяния зависит от длины волны, поэтому образуются окрашенные кольца; так как угол зависит и от размер капель, то кольца появляются лишь тогда, когда капли не сильно отличаются по размерам.

Туманное утро в Италии
Айвазовский Иван Константинович
1864 г.

Задача №5 «Утро было великолепным, но наш рулевой, взглянув на восходящее солнце, опасливо покачал головой и многозначительно пробормотал: «Красно солнце поутру моряку не по нутру». И правда, солнце выглядело таким зловещим, что несколько резвившихся в небе лёгких кудрявых облаков, словно испугавшись его, куда-то поспешно скрылись…

«Тайфун у берегов Японии». Джек Лондон, 1893 год. Поясните слова рулевого: «Красно солнце поутру моряку не по нутру»? Почему при восходе и особенно закате Солнце играет различными цветами?

Ответ: Надо сказать, что существует много пословиц, в которых красное утреннее небо рассматривается как предостережение дождя. Шекспир писал, что красное утро всегда предвещает бурю полям, а моряку - крушение. Красный цвет солнца предвещает о сильных ветрах, особенно в верхних слоях атмосферы и определяется присутствием в атмосфере сопутствующих дождю пыли и влажности. Солнечные лучи при закате и восходе проходят большой путь в воздухе. По теории Рэлея, будут рассеиваться синие, голубые и фиолетовые лучи, а проходят лучи красной части спектра. Поэтому Солнце окрашивается в жёлтые, розовые, красные тона, противоположная сторона неба кажется окрашенной в синий с фиолетовым оттенком цвет. Восход даёт более яркую и чистую картину, так как воздух за ночь делается чище.

Задача №6 Чем объяснить образование цветных пятен на поверхности воды в тех местах, где она загрязнена нефтью, бензином или смазочным маслом?

Ответ: Радужные полосы в тонких плёнках возникают в результате интерференции световых волн, отражённых от верхней и нижней границ плёнки. Волна, отражённая от нижней границы, отстаёт по фазе от волны, отражённой от верхней границы. Величина этого отставания зависит от толщины плёнки и от длины световых волн в плёнке. Вследствие интерференции будет происходить гашение одних цветов спектра и усиление других. Поэтому места плёнки, обладающие разной толщиной, будут окрашены в различные цвета.

Задача №7 На стёклах, длительное время подвергавшихся атмосферным влияниям или пролежавшим длительное время в сырой земле, наблюдаются красивые радужные оттенки. Как объяснить их происхождение?

Задача №8 Под влиянием нагревания до температуры 220-350°C сталь покрывается ярко окрашенной разноцветной плёнкой, так называемыми «цветами побежалости». Объясните явление.

Ответ: При температуре 220-350°C сталь покрывается тонким прозрачным слоем окисла. Толщина этого слоя (следовательно, и цвет побежалости) зависит от температуры. Например, температуре 220°C соответствует светло-жёлтый цвет, температуре 285°C - фиолетовый.

Задача №9 Выдуйте мыльный пузырь. Заметьте, когда на пузыре появится радужная окраска. Объясните явление. Какова приблизительно толщина плёнки пузыря в тех местах, где он окажется жёлтым?

Задача №10 При наблюдении мыльной плёнки, образованной в плоской вертикальной рамке, можно заметить, что цветные горизонтальные интерференционные полосы будут с течением времени перемещаться вниз, несколько изменяя свою ширину. Через некоторое время в верхней части плёнки возникнет быстро увеличивающееся чёрное пятно, а затем плёнка разорвётся. Объясните наблюдаемое.

Ответ: Вода во внутреннем слое плёнки постепенно стекает вниз, нижняя часть плёнки утолщается, а верхняя становится тоньше. Места, соответствующие определённой толщине плёнки перемещаются, вместе с ними перемещаются и соответствующие интерференционные полосы. Через некоторое время толщина плёнки в верхней части становится меньше четверти длины волны самых коротких волн падающего на плёнку света. В этих местах плёнки при интерференции отражённых от плёнки лучей будет происходить гашение волн всех длин.

Розовые горы

Занковский Илья Николаевич
1890-е

Задача №11 Источником какого света для нас являются сумерки, утренние и вечерние зори?

Ответ: Источниками рассеянного солнечного света, молекулами атмосферных газов и пылевых частиц, находящихся в атмосфере.

Задача №12 Можно ли получить от непрозрачного предмета четыре полутени без тени?

Ответ: Можно

Комментарий: Представьте себе футболиста в центре стадиона при вечернем освещении его прожекторами, установленными высоко по углам стадиона.

Задача №13 Может ли протяжённость тени от верёвки, натянутой между вертикальными столбами, быть большей расстояния между столбами?

Ответ: Да может, если верёвка натянута, например, над оврагом.

Задача №14 Может ли велосипедист обогнать свою тень?

Ответ: Может, если тень образуется на стене, параллельно которой движется велосипедист, а источник света движется быстрее велосипедиста и в том же направлении.

Задача №15 Почему в солнечный день не следует поливать водой листья огородных и садовых растений?

Ответ: Капли фокусируют солнечный свет на поверхность листьев, и растения получают солнечные ожоги.

Задача №16 Почему даже в совершенно чистой воде человек видит плохо? Хорошо ли видит водолаз? Какую функцию выполняю маски и очки для плавания под водой?

Задача №17 Почему в воде изображения неба, облаков, деревьев всегда темнее, чем в действительности?

Отраженье в воде «В поверхности быстрого потока не различить отражений ни близких, ни далёких: даже если не мутен он, даже если свободен от пены - в постоянной струйчатой ряби, в неугомонной смене воды отраженья неверны, неотчётливы, непонятны. Лишь, когда поток через реки и реки доходит до спокойного широкого устья, или в заводи остановившейся, или в озерке, где вода не продрогнет, - лишь там мы видим в зеркальной глади и каждый листик прибрежного дерева, и каждое пёрышко тонкого облака, и налитую голубую глубь неба. Так и ты, так и я. Если до сих пор все никак не увидим, всё никак не отразим бессмертную чеканную истину, - не потому ли, значит, что ещё движемся куда-то? Ещё живём?…» «Этюды и крохотные рассказы». Александр Исаевич Солженицын

Задача №18 Дно пруда не видно из-за блеска отражённого света. Как можно погасить отражённый свет и увидеть дно?

Задача №19 Почему с моста лучше видно рыбу, плывущую в реке, чем с низкого берега?

Задача №20 На поверхности реки, озера или моря в направлении Луны видна сверкающая лунная дорожка. Объясните, как она образуется. Можно ли наблюдать лунную дорожку на идеально гладкой спокойной поверхности воды? Почему дорожка всегда направлена на наблюдателя?

Ответ: Дорожка на поверхности воды возникает вследствие отражения света от мелких волн, которые ориентированы в различных направлениях. Поэтому при самых различных положениях наблюдателя отражённые лучи попадают к нему в глаз. Каждый наблюдатель видит «свою» лунную дорожку

Задача №21 В безлунную ночь на небе виден зодиакальный свет и противосияние. Зодиакальный свет - это туманный треугольник, который можно наблюдать на западе в течение нескольких часов после захода солнца или на востоке - перед его восходом. Противосияние - это довольно слабое свечение, возникающее в противоположном солнцу направлении. Чем объяснить такие свечения?

Ответ: Эти свечения связаны с рассеянием света космической пылью, поступающей из пояса астероидов. Зодиакальный свет обусловлен пылью, находящейся внутри орбиты Земли. Противосияние - это свет, рассеянный пылью, находящейся за пределами земной орбиты.

Задача №22 Иногда вокруг Солнца или Луны наблюдаются круги (малое Гало). Оно находится обычно на угловом расстоянии в 22° и окрашено изнутри красным, а снаружи - белым или синим цветом. Отчего оно возникает? Правда ли, что Гало считают предвестником дождя?

Ответ: Малое Гало обусловлено преломлением света в падающих кристалликах льда. Главные оси кристаллов, на которых образуется Гало, ориентированы случайным образом в плоскости, перпендикулярной лучу падающего света. Поэтому в любой точке под углом 22° имеются кристаллы, которые ориентированы так, что дают яркий свет. Сильнее всего преломляются синие лучи, поэтому внешняя сторона открашена в этот цвет.

Задача №23 Почему обычные облака в основном белые, а грозовые тучи чёрные?

Ответ: Размер водяных капель в облаке гораздо больше молекул воздуха, поэтому свет от них не рассеивается, а отражается. При этом он не разлагается на составляющие, а остаётся белым. Очень плотные грозовые облака либо вообще не пропускают свет либо отражают его вверх.

Задача №24 Иногда возникают перламутровые облака, имеющие очень красивые тона. Они редки и наблюдаются лишь в высоких широтах. После захода солнца они настолько яркие, что свет от них окрашивает снег. Каковы особенности этих облаков?

Ответ: Перламутровые облака располагаются на очень большой высоте и состоят из капель, радиусы которых (0,1-3 мкм) близки к длине волны видимого света. На этих каплях происходит дифракция света, которая зависит и от радиуса капли и длины волны.

Задача №25 Почему не всё небо имеет одинаковый оттенок, а часть окрашена в более яркий голубой цвет?

Ответ: Солнечный свет рассеивается на молекулах воздуха, причём свет с меньшей длиной волны рассеивается сильнее. Поэтому, когда Солнце близко к горизонту, небо над наблюдателем в основном голубое. Голубизна неба на расстоянии больше 90° от Солнца слабее, так как небо освещено светом, прошедшим больший путь в атмосфере и потерявшим синюю составляющую.

Задача №26 Почему человеку, смотрящему вдоль железнодорожного пути, кажется, что: рельсы постепенно сходятся; высота столбов телеграфной линии постепенно уменьшается; далёкие предметы движутся медленнее, чем близкие?

Задача №27 На светлом фоне керамического изделия сделан тёмный рисунок. Если это изделие поместить в печь с высокой температурой, то виден светлый рисунок на тёмном фоне. Почему?

Задача №28 Если посмотреть на окружающие тела через тёплый воздух, поднимающийся от костра, то он кажется дрожащим. Почему?

Задача №29 Пролетевший на большой высоте самолёт, оставляет за собой белую полосу тумана - мельчайшие капельки воды, образующиеся в результате конденсации водяных паров. Объясните, почему такие полосы оказываются ярко освещёнными даже в вечернее время после захода солнца или утром задолго до восхода?

Задача №30 В какое время дня - утром, в полдень или вечером размеры тени от облака на поверхности земли наиболее близки к размерам самого облака?

Задача №31 Если смотреть на разноцветную светящуюся рекламу (например, из газоразрядных трубок), то красные буквы всегда кажутся выступающими вперёд по сравнению с синими и зелёными. Чем это можно объяснить?

Задача №32 При слабом освещении синий цвет кажется ярче красного, но при хорошем освещении красный кажется ярче синего. Почему относительная яркость цветов зависит от уровня освещения?

Ответ: При сильной освещённости зрение обусловлено колбочками, а при слабой - палочками. Колбочки бывают трёх типов, чувствительных к цветам: красному, жёлтому, синему. Палочки наиболее чувствительны к зелёному свету и малочувствительны к красному. Если увеличивать освещённость, то зрение переключается с «палочкового» на «колбочковое». Красные цвета в сумерках кажутся более тёмными, нежели зелёные, а в ночное время - практически чёрными, в то время как синие объекты «становятся» более светлыми (эффект Пуркинье).

Задача №33 Почему вечером человек хуже различает очертания предметов, чем днём?

Ответ: Вечером зрачки у человека расширяются. Но хрусталик - не идеальная линза. Изображения, даваемые различными участками хрусталика, из-за аберрации смещены относительно друг друга. Чем большая часть хрусталика «работает», тем более размытое изображение.

Задача №34 Как называется вид люминесценции, связанный со свечением живых организмов?

Задача №35 Объясните природу радужной полоски в глазах стрекоз, шершней; переливы оперения птиц - сороки, райских птиц, павлина; игру красок крыльев бабочек.

Задача №36 Почему для запрещённых сигналов на транспорте принят красный цвет?

Задача №37 Почему проявление фотографических снимков производится при красном освещении?

Задача №38 Пламя электрической дуги будет безвредно для зрения, если дугу зажечь в воде. Почему?

Задача №39 Подсвеченный с определённого направления одноцветный флаг, развевающийся ночью на здании, кажется полосатым, причём полосы на нём непрестанно перемещаются. Каковы причины этого явления?

Задача №40 В морозный вечер обратите внимание на радужные кольца вокруг фонарей, если смотреть на них через покрытые морозными узорами стекла (ближе к источнику радужные круги имеют сине-голубой свет, дальше от источника - оранжево-красный). Объясните наблюдаемое. Если человек видит радужные кольца вокруг источников света в чистом воздухе, то доктора считают это признаком помутнения прозрачных сред глаза (начала возникновения катаракты). Почему?

Ответ: Венцы вокруг фонарей объясняются дифракцией света на препятствиях (морозных узорах), соразмерных с длиной волны света. Свет, проходя через неоднородную среду, даёт дифракционную картину.

Задача №41 Если перед запылённым зеркалом зажечь свечу, можно увидеть вокруг пламени радужный ореол. Проведите эксперимент и объясните наблюдаемое явление.

Задача №42 Как объяснить появление радуги после дождя? Радуга, представляющаяся с земли дугой, с самолёта имеет вид радужного круга с тенью самолёта в центре. Почему?

Радуга
Дубовской
Николай Никанорович
1892 г.

Задача №43 Как далеко от нас образуется радуга, т.е. на каком расстоянии находятся те капли воды, благодаря которым она и возникает?

Ответ: Для радуги имеет значение лишь угол между падающим солнечным лучом и линией зрения наблюдателя. Капли же могут находиться на расстоянии от нескольких метров до нескольких километров. Можно наблюдать радугу, возникающую на фоне струй водопада или фонтана.

Задача №44 Почему блестят капельки росы? Почему блестят пузырьки воздуха в воде?

Задача №45 Почему поверхность одних предметов кажется нам тусклой, матовой, а других - глянцевой, блестящей? Приведите примеры поверхностей обоих типов.

Задача №46 Посмотрев в ясное небо, вы увидите перед глазами множество движущихся точек. Они имеются всегда, но обычно мы не обращаем на них внимания. Что они собой представляют и почему движутся рывками?

Ответ: Мозг «игнорирует» всякое неподвижное изображение в глазу, сосуды же в сетчатке и их тени неподвижны. Другое дело тени от клеток крови, движущиеся по капиллярам; эти тени видны как прерывисто движущиеся точки.

Задача №47 Юный рыбак, сидя на берегу озера, видит на гладкой поверхности воды изображение утреннего Солнца. Куда переместится это изображение, если он будет наблюдать его стоя?

Ответ: Удалится от берега.

Задача №48 Почему хорошо видны фигуры, нарисованные на запотевшем оконном стекле?

Ответ: Запотевшее стекло рассеивает свет и кажется молочно-белым, а в тех местах, где стёрты капельки воды, стекло видно либо тёмным (если фон тёмный - на улице поздний вечер или ночь), либо светлым, либо зеркально блестящим.

Задача №49 Солнечные лучи, пробивающиеся сквозь тучи, представляются радиально расходящимися во все стороны. Между тем солнечные лучи, падающие на землю параллельны. Как объяснить такое противоречие?

Ответ: Расхождение лучей объясняется перспективным эффектом схождения удаляющихся параллельных прямых.