150496 (Оптичні явища в природі)

Курсова робота

по фізиці на тему:

“Оптичні явища в природі”

План

Введення

а) Що таке оптика?

б) Види оптики

в) Роль оптики в розвитку сучасної фізики

Явища, пов'язані з віддзеркаленням світла

а) Предмет і його віддзеркалення

б) Залежність коефіцієнта віддзеркалення від кута падіння світла

в) Захисні стекла

д) Повне віддзеркалення світла

е) Алмази і самоцвіти

Явища, пов'язані із заломленням світла

а) Міраж

б) Веселка

Висновок

Що таке оптика?

Перші уявлення стародавніх учених про світло були вельми наївні. Вважалося, що з очей виходять особливі тонкі щупальці і зорові враження виникають при обмацуванні ними предметів. Тоді під оптикою розуміли науку про зір. Саме такий точний сенс слова “оптика”. В середні віки оптика поступово з науки про зір перетворилася на науку про світло, цьому сприяв винахід лінз. У сучасний час оптика - це розділ фізики, в якому досліджується випускання світла, його розповсюдження в різних середовищах і взаємодія з речовиною. Що ж до питань, пов'язаних із зором, пристрій і функціонування ока, то вони виділилися в спеціальний науковий напрям, званий фізіологічною оптикою.

Отже, оптика – вчення про природу світла, світлових явищах і взаємодії світла з речовиною. І майже вся її історія – це історія пошуку відповіді: що таке світло?

Види оптики

При розгляді багатьох оптичних явищ можна користуватися уявленням про світлові промені – геометричні лінії, уздовж яких розповсюджується світлова енергія. В цьому випадку говорять про геометричну (променевий) оптику.

Геометрична оптика широко використовується в світлотехніці і при розгляді дій численних приладів і пристроїв – починаючи від лупи і окулярів і закінчуючи складними оптичними мікроскопами і телескопами.

На початку XIX століття розвернулися інтенсивні дослідження відкритих раніше явищ інтерференції, дифракції і поляризації світла. Ці явища не знаходили пояснення в рамках геометричної оптики, необхідно було розглядати світло у вигляді поперечних хвиль. Так виникла хвильова оптика. Спочатку вважали, що світло - це пружні хвилі в деякому середовищі (світовому ефірі), яке ніби то заповнює весь світовий простір.

У 1864 році англійський фізик Джеймс Максвелл створив електромагнітну теорію світла, згідно якої хвилі світла – це електромагнітні хвилі з відповідним діапазоном довжин.

Дослідження, виконані на початку XX століття, показали, що для пояснення деяких явищ, наприклад фотоефекту, необхідно представити світловий пучок у вигляді потоку своєрідних частинок – світлових квантів (фотонів). Ще 200 років тому Ісаак Ньютон дотримувався аналогічної точки зору на природу світла в своїй “теорії закінчення світла”. Тепер уявлення про світлові кванти вивчає квантова оптика.

Роль оптики в розвитку сучасної фізики.

Роль оптики в розвитку сучасної фізики велика. Виникнення двох найбільш важливих і революційних теорій двадцятого сторіччя (квантової механіки і теорії відносності) в істотній мірі пов'язане з оптичними дослідженнями. Оптичні методи аналізу речовини на молекулярному рівні породили спеціальний науковий напрям – молекулярну оптику. До неї тісно примикає оптична спектроскопія, вживана в сучасному матеріалознавстві, при дослідженнях плазми, в астрофізиці. Існують також електронна і нейтронна оптики; створені електронний мікроскоп і нейтронне дзеркало. Розроблені оптичні моделі атомних ядер.

Сприяючи розвитку різних напрямів сучасної фізики, оптика в той же час і сама переживає сьогодні період бурхливого розвитку. Основний поштовх цьому розвитку дало винахід інтенсивних джерел когерентного світла – лазерів. В результаті хвильова оптика піднялася на вищий ступінь, відповідний когерентній оптиці. Важко навіть перерахувати всі новітні науково-технічні напрями, що розвиваються завдяки появі лазерів. Серед них нелінійна оптика, голографія, радіо-оптика, адаптивна оптика та інші. Радіо-оптика виникла на стику радіотехніки і оптики; вона досліджує оптичні методи передачі і обробки інформації. Ці методи зазвичай поєднують з традиційними електронними методами; в результаті склався науково-технічний напрям – оптоелектронікою. Передача світлових сигналів по діелектричних волокнах складає предмет волоконної оптики. Використовуючи досягнення нелінійної оптики, можна виправляти хвильовий фронт світлового пучка, що спотворюється при розповсюдженні світла в тому або іншому середовищі, наприклад в атмосфері або у воді. В результаті виникла і інтенсивно розвивається так звана адоптивна оптика. До неї тісно примикає фото-енергетика, що зароджується на наших очах, займається, зокрема, питаннями ефективної передачі світловій енергії по променю світла. Сучасна лазерна техніка дозволяє отримувати світлові імпульси тривалістю всього лише в секунди. Такі імпульси виявляються унікальним “інструментом” для дослідження цілого ряду процесів в речовині, які швидко протікають і зокрема в біологічних структурах. Виникло і розвивається спеціальний напрям, до якого тісно примикає фото-біологія. Можна без перебільшення сказати, що широке практичне використання досягнень сучасної оптики – обов'язкова умова науково-технічного прогресу. Оптика відкрила людському розуму дорогу в мікросвіт, вона ж дозволила йому проникнути в таємниці зоряних світів. Оптика охоплює всі сторони в нашій практичній діяльності.

Явища, пов'язані з віддзеркаленням світла.

Предмет і його віддзеркалення

Те, що відображений в стоячій воді пейзаж не відрізняється від реального, а тільки перевернений “вверх ногами” далеко не так.

Якщо людина подивиться пізно увечері, як відбиваються у воді світильники або як відбивається берег, що спускається до води, то віддзеркалення здасться йому укороченим і зовсім “зникне”, якщо спостерігач знаходиться високо над поверхнею води. Також ніколи не можна побачити віддзеркалення верхівки каменя, частина якого занурена у воду.

Пейзаж бачиться спостерігачеві таким, неначебто на нього дивилися з крапки, що знаходиться на стільки глибше за поверхню води, наскільки око спостерігача знаходиться вищим за поверхню. Різниця між пейзажем і його зображенням зменшується у міру наближення ока до поверхні води, а так само у міру видалення об'єкту.

Часто людям здається, що віддзеркалення в ставку кущів і дерев відрізняється більшою яскравістю фарб і насиченістю тонів. Цю особливість також можна відмітити, спостерігаючи віддзеркалення предметів в дзеркалі. Тут велику роль грає психологічне сприйняття, чим фізична сторона явища. Рама дзеркала, береги ставка обмежують невелику ділянку пейзажу, захищаючи бічний зір людини від надмірного розсіяного світла, що поступає зі всього небозводу і засліплює спостерігача, тобто він дивиться на невелику ділянку пейзажу як би через темну вузьку трубу. Зменшення яскравості відображеного світла в порівнянні з прямим полегшує людям спостереження неба, хмар і інших світлих предметів, які при прямому спостереженні виявляється дуже яскравим для ока.

Залежність коефіцієнта віддзеркалення від кута падіння світла.

На межі двох прозорих середовищ світло частково відбивається, частково проходить в інше середовище і заломлюється, частково поглинається середовищем. Відношення відображеної енергії до падаючої називають коефіцієнтом віддзеркалення. Відношення енергії світла, що пройшло через речовину, до енергії падаючого світла називають коефіцієнтом пропускання.

Коефіцієнти віддзеркалення і пропускання залежать від оптичних властивостей, що граничать між собою середовищ і кута падіння світла. Так, якщо світло падає на скляну пластинку перпендикулярно (кут падіння б=0), то відбивається всього лише 5% світловій енергії, а 95% проходить через межу розділу. При збільшенні кута падіння частка відображеної енергії зростає. При вугіллі б=90 - вона рівна одиниці.

Залежність інтенсивності відображеного світла, що проходить через скляну пластинку, можна прослідкувати, розташовуючи пластинку під різними кутами до світлових променів і оцінюючи інтенсивність на око.

Цікаво також оцінити на око інтенсивність світла, відображеного від поверхні водоймища, залежно від кута падіння, поспостерігати віддзеркалення сонячних променів від вікон будинку при різних кутах падіння вдень, при заході, сході світила.

Захисні стекла

Звичайні шибки частково пропускають теплові промені. Це добре для використання їх в північних районах, а також для парників. На півдні ж приміщення настільки перегріваються, що працювати в них важко. Захист від Сонця зводиться або до затемнення будівлі деревами, або до вибору сприятливої орієнтації будівлі при перебудові. І те і інше іноді буває скрутним і не завжди здійснимим.

Для того, щоб скло не пропускало теплові промені, його покривають тонкими прозорими плівками оксидів металів. Така плівка не пропускає більше половини теплових променів, а покриття містять окисел заліза, повністю відображають ультрафіолетові промені і 35-55% теплових.

Розчини плівко-створюючих солей наносять з пульверизатора на гарячу поверхню скла під час його теплової обробки або формування. При високій температурі солі переходять в окисли, міцно пов'язані з поверхнею стекла.

Так само виготовляють скло для світлонепроникних окулярів.

Повне внутрішнє віддзеркалення світла

Красиве видовище є фонтан, у якого струмені, що викидаються, освітлюють зсередини. Це можна зобразити в звичайних умовах, виконавши наступний досвід. У високій консервній банці на висоті 5 см від дна треба просвердлити круглий отвір (А) діаметром 5-6 мм. Електричну лампочку з патроном треба акуратно обернути целофановим папером і розташувати її напроти отвору. У банку треба налити води. Відкривши отвір А, отримаємо струмінь, який буде освітлений зсередини. У темній кімнаті вона яскраво світиться і виглядає дуже ефектно. Струменю можна додати будь-яке забарвлення, помістивши на шляху променів світла кольорове скло Б. Якщо на шляху струменя підставити палець, то вода розбризкується і ці крапельки яскраво світяться.

Пояснення цього явища задоволене просте. Промінь світла проходить уздовж струменя води і потрапляє на зігнуту поверхню під кутом, великим граничного, випробовує повне внутрішнє віддзеркалення, а потім знову потрапляє на протилежну сторону струменя під кутом знову більше граничного. Так промінь проходить уздовж струменя згинаючись разом з нею.

Але якби світло повністю відбивалося усередині струменя, то він не був би видний ззовні. Частина світу розсівається водою, бульбашками повітря і різними домішками, наявними в ній, а також унаслідок нерівностей поверхні струменя, тому вона видно зовні.

Алмази і самоцвіти

Секрет чарівної гри світла в алмазах, полягає в тому, що цей камінь має високий показник заломлення (n=2,4173) і внаслідок цього малий кут повного внутрішнього віддзеркалення (б=24?30) і володіє більшою дисперсією, що викликає розкладання білого світу на прості кольори.

Крім того, гра світла в алмазі залежить від правильності його ограновування. Грані алмазу багато разів відображають світло усередині кристала. Унаслідок великої прозорості алмазів високого класу світло усередині них майже не втрачає своєї енергії, а тільки розкладається на прості кольори, промені яких потім вириваються назовні в різних, найнесподіваніших напрямах. При повороті каменя міняються кольори, витікаючи з каменя, і здається, що сам він є джерелом багатьох яскравих різноколірних променів.

Зустрічаються алмази, забарвлені в червоний, голубуватий і бузковий кольори. Сяйво алмазу залежить від його ограновування. Якщо дивитися крізь добре огранований водяний-прозорий діамант на світло, то камінь здається абсолютно непрозорим, а деякі його грані виглядають просто чорними. Це відбувається тому, що світло, зазнаючи повне внутрішнє віддзеркалення, виходить у зворотному напрямі або в сторони.

Якщо дивитися на верхнє ограновування з боку світла, вона сяє багатьма колорами, а місцями блищить. Яскраве блискання верхніх граней діаманта називають діамантовим блиском. Нижня сторона діаманта зовні здається як би посрібленою і відливає металевим блиском.

Найбільш прозорі і крупні алмази служать прикрасою. Дрібні алмази знаходять широке застосування в техніці як ріжучий або шліфувальний інструмент для металообробних верстатів. Алмазами оснащують головки бурильного інструменту для створення ним свердловин в твердих породах. Таке застосування алмазу можливе із-за великої твердості. Інші коштовні камені в більшості випадків є кристалами окислу алюмінію з домішкою оксидів офарблюючи елементів – хрому (рубін), міді (смарагд), марганцю (аметист). Вони також відрізняються твердістю, міцністю і володіють красивим забарвленням і “грою світла”. В даний час уміють отримувати штучним шляхом крупні кристали окислу алюмінію і офарблювати їх в бажаний колір.

Явища дисперсії світла пояснюють різноманіттям фарб природи. Цілий комплекс оптичних експериментів з призмами в XVII столітті провів англійський вчений Ісаак Ньютон. Ці експерименти показали, що біле світло не є основним, його треба розглядати як складений (“неоднорідний”); основними ж є різні кольори (“однорідні” промені, або “монохроматичні” промені). Розкладання білого світла на різні кольори відбувається з тієї причини, що кожному кольору відповідає свій ступінь заломлення. Ці виводи, зроблені Ньютоном, узгоджуються з сучасними науковими уявленнями.

Разом з дисперсією коефіцієнта заломлення спостерігається дисперсія коефіцієнтів поглинання, пропускання і віддзеркалення світла. Цим пояснюються різноманітні ефекти при освітленні тіл. Наприклад, якщо є якесь прозоре для світла тіло, у якого для червоного світла коефіцієнт пропускання великий, а коефіцієнт віддзеркалення малий, для зеленого ж світла навпаки: коефіцієнт пропускання малий, а коефіцієнт віддзеркалення великий, тоді в світлі, що проходить, тіло здаватиметься червоним, а у відображеному світлі – зеленим. Такими властивостями володіє, наприклад, хлорофіл – зелена речовина, що міститься в листі. Розчин хлорофілу в спирту при розгляді на просвіт виявляється червоним. У відображеному світлі цей же розчин виглядає зеленим.

Якщо у якогось тіла коефіцієнт поглинання великий, а коефіцієнти пропускання і віддзеркалення малі, то таке тіло здаватиметься чорним і непрозорим (наприклад, сажа). Дуже біле, непрозоре тіло має коефіцієнт віддзеркалення близький до одиниці для всіх довжин хвиль, і дуже малі коефіцієнти пропускання і поглинання. Цілком прозоре для світла тіло (скло) має малі коефіцієнти віддзеркалення і поглинання і близький до одиниці для всіх довжин хвиль коефіцієнт пропускання. У забарвленого скла для деяких довжин хвиль коефіцієнти пропускання і віддзеркалення практично рівні нулю і, відповідно, значення коефіцієнта поглинання для цих же довжин хвиль близько до одиниці.