"Уникальные световые природные явления" (реферат+презентация)

МБОУ «Кочетовская СОШ им. В.А.Закруткина».

«В мире загадочного».

Уникальные природные явления.

Виницкой Юлии и Баевой Татьяны

Ученицы  10 класса.

Руководитель учитель физики и информатики

Раздорова Е.В.

Ст. Кочетовская,

2011 - 2012 уч. год

Цель:

Рассмотреть возможности изучения световых природных явлений с точки зрения физических законов.

Задачи:

  1. Познакомиться с процессами рассеяния и рефракции света.

  2. Объяснить возникновение световых явлений в природе.

Оглавление:

1.  Венцы, глории

                  1.1 Венцы

                  1.2 Глории

                  1.3 «Призрак Броккена»

2. Гало

3. Миражи

4. Радуги

                   4.1 Туманная радуга

                   4.2 Лунная радуга

5. Молнии.

5.1 Шаровая молния.

5.2 Огни Святого Эльма.      

Так рано утором, когда на луговое разнотравье падёт чистая роса и огненно зарозовеет небо, каждая крохотная росинка, мерцая, отражает в себе явившийся людям торжественный, сияющий над всей землёй, славящий жизнь солнечный лик…

В.А. Закруткин.

                           Введение.

Свет… его значение в нашей жизни очень велико.  Учение о свете и световых явлениях составляет очень важный раздел физики, называемый оптикой. Знание основных оптических законов имеет большое познавательное практическое значение. Чтобы выяснить причины тех или иных световых явлений, нужно обнаружить связь наблюдаемого явления с другими и объяснить его на основании определенного закона природы. Тогда загадочность явления исчезает, и мы приобретаем о нем научное знание.

И в повседневной жизни мы встречаемся со многими световыми явлениями и не задумываемся над ними - настолько они привычны для нас, но объяснить их мы часто затрудняемся. Окружающий нас мир мы воспринимаем и познаем, прежде всего, благодаря свету и нашим зрительным ощущениям. На законах оптики основана оптическая и осветительная техника. Знание элементов оптики необходимо учащимся для изучения других общеобразовательных предметов. Немаловажное значение эти знания имеют и для борьбы с предрассудками и суевериями.

В центре рассмотрения световых явлений в базовом курсе две основные проблемы: как распространяется свет от источника в однородной среде и как ведет он себя на границе двух сред. При этом в учебном материале можно выделить три главные части, прямолинейность распространения снега, закон отражения и явление преломления света. Весь остальной программный материал относится к следствиям. Но  целый ряд наблюдаемых световых явлений, заинтриговавших человечество, не рассматривается в школьном курсе физики. Поэтому  мы выбрали эту тему.

Мир солнечного света, воспринимаемый нашим органом зрения, огромен, разнообразен, неисчерпаем. Все удивительное богатство форм предметов, их цветовых тонов, оттенков, уровней яркости, которые мы встречаем в окружающей нас природе на Земле, в атмосфере, - все породили Солнце и глаз человека!

Подавляющее большинство описанных в этом проекте световых явлений можно наблюдать всегда и везде: в ясный и в пасмурный день, на суше и на море, в сельской местности и даже в городах. Напряженный ритм жизни приковывает внимание человека к тому, что он видит перед собой в непосредственной близости на Земле. Человек отвыкает наблюдать за небом. Поэтому хочется призвать всех: при каждой возможности отрывайте взгляд от земли и смотрите на небо! Как разнообразно оно и каждый раз по-своему удивительно красиво!

                                                  Венцы.                          

          Когда Солнце или Луна просвечивают сквозь тонкие облака, состоящих из водяных  капель или кристаллов, они часто кажутся окруженными голубоватым сиянием  в виде кольца, непосредственно примыкающего к  диску светила и оканчивающегося наружным красным краем. Это так называемый венец первого порядка. За ореолом следуют концентрические с ним венцы второго, третьего и следующих порядков, разделенные темными промежутками. Расположение цветов во всех кольцах одинаковое: внутренний край синевато-зеленоватый переходит в желтый, оранжевый и кончается наружным красным краем. Обычно виден только один ореол; иногда число колец доходит до трех-четырех. Размеры венцов бывают самыми различными.

       Венцы называют малыми кругами вокруг Солнца или Луны, в отличие от больших кругов гало. Они одинаково часто появляются вокруг Солнца и Луны, однако в ярком свете Солнца и неба вокруг него плохо различимы. Их можно видеть через закопченное стекло, дымчатые очки или наблюдая отражение Солнца в спокойной воде.

       Венцы в облаках, состоящих из капелек (высоко-кучевых и слоисто-кучевых), не очень красивы. Обычно виден только один ореол в виде голубовато-белого сияния, даже красный край плохо заметен. Это объясняется наличием в этих облаках капелек разного размера. Каждый размер дает свой венец, закладываясь друг на друга, венцы капель разного размера «смазывают» картину.

       Вокруг искусственных источников света также могут появляться венцы. Например, вокруг уличных фонарей в туманную погоду.

                                                    «Глории»                                                  

Глория представляет собой одно или несколько ярких радужных концентрических колец вокруг тени самолета, отбрасываемой на нижележащее облако.

                                         «Призрак Броккена»                                

           Явление, аналогичное глории, можно наблюдать в горах вокруг тени человека, падающей на вертикальную стену тумана или облака, окутывающих горную вершину. Сам человек находится на некотором расстоянии на другой, соседней вершине в слабом тумане или небольшом облачке. Такие условия часто создаются в горах рано утром, когда солнечные лучи падают на горы в направлении, близком к горизонтальному. Увеличенная тень человека (ее размеры будут тем больше, чем дальше стена тумана или облака) оказывается окруженной радужными кольцами.

       Неожиданное появление яркой гигантской глории производит сильное впечатление. Человек что-то делает, например, поднимает руку, и его тень в центре глории повторяет все его движения. Это явление впервые было описано по наблюдениям на г. Броккен в горном массиве Гарц в Средней Германии и получило название «призрак Броккена».

                                                           Гало.

         Если Солнце или Луна просвечивают через тонкие перисто-слоистые облака, состоящие из ледяных кристаллов, на небе часто появляются световые явления, называемые гало. Явления гало отличаются большим многообразием.

В моменты близкие к заходу или восходу Солнца, над Солнцем, а иногда и под ним, появляются световые столбы.

Повторяемость гало обусловлена частотой появления перисто-слоистых облаков. Часто на небе наблюдается одновременно несколько форм гало. Сложный комплекс из разнообразных гало наблюдался в Петербурге 18 июля 1794г. Он был тщательно зарисован и описан петербургским астрономом Т.Ловицем и вошел в литературу под названием Петербургского феномена. На небе одновременно наблюдалось 12 различных кругов и дуг, из них 9 цветных. Описаны и другие сложные гало, которые наблюдались в разных местах земного шара.

Появление на небе одновременно нескольких солнц, световых крестов, косых дуг, которые, особенно во время зари, казались «кровавыми мечами», в прежние времена вызывало у людей страх, рождало суеверия, воспринималось как предвестие большой беды – войны, голода.

                                                  Миражи.  

Давным- давно, еще в средние века, из уст в уста передавались легенды и поверия о «Летучем голландце» - призрачном корабле, являющемся во время шторма морякам, обреченным на гибель; о «Фата- Моргане»- призрачных дворцах, вырастающих на горизонте и исчезающих по мере приближения к ним; о «Брокенских призраках»- возникающих на небосводе движущихся гигантских фигурах людей и животных.
           Непонятные явления вселяли в людей мистический ужас. А ученые пытались объяснить их. В ХI веке попытки были предприняты арабским ученым Ибн Аль- Хайтаном, в XVII веке Иоган Кеплер пытался решить эту задачу, но самый большой вклад в ее решение внес великий Исаак Ньютон.

Кто не слышал о миражах или не читал их описаний, сделанных путешественниками по пустыням Азии и Африки. Появление миража обычно описывается примерно так. По раскаленным Солнцем безжизненным пескам пустыни, страдая от нестерпимой жары и жажды, медленно движется караван верблюдов. И люди и животные давно устали. Вода в бурдюках кончилась. И вдруг вдали, на горизонте, среди песков блеснула полоска воды. Нет, это не узкая полоска, а целое озеро, сверкающее на Солнце. Озеро кажется как бы парящим в воздухе.

Такие кажущиеся «озера» жители северной Африки называют «морями дьявола». В восточных сказаниях и легендах говорится о коварной фее Моргане, которая заманивала путников в пустыню, показывая им хрустальные воздушные дворцы. По имени этой сказочной героини сложного вида миражи и теперь называют «фата - моргана» (от латинского «фата» - «фея»).

Что же такое мираж? Является ли он реальностью или это плод воображения измученных зноем и жаждой людей? Можно ли мираж запечатлеть объективно, например, сфотографировать или заснять на кинопленку?

Слово мираж французского происхождения и имеет два значения: «отражение» и «обманчивое видение». Оба значения этого слова хорошо отражают сущность явления. Мираж представляет собою изображение реально существующего на Земле предмета, часто увеличенное и сильно искаженное. Мираж можно зарисовать, сфотографировать, заснять на кинопленку, что многократно и делалось. Различают несколько видов миражей в зависимости от того, где располагается изображение по отношению к предмету. Миражи бывают: верхние, нижние, боковые и сложные.

Наиболее часто наблюдаемые верхние и нижние миражи возникают при необычном распределении плотности по высоте, когда на некоторой высоте или у самой поверхности Земли имеется сравнительно тонкий слой очень теплого воздуха, в котором лучи, идущие от наземных предметов, испытывают полное внутренне отражение.

                                                  Радуги.                                                

         Первая попытка объяснить радугу как естественное явление была сделана в 1611 г. архиепископом Антонио Доминисом. Его объяснение радуги противоречило библейскому, поэтому он был отлучен от церкви и приговорен к смертной казни.

         Обычно наблюдаемая радуга – это цветная дуга, видимая на фоне завесы ливневого дождя или полос падения дождя, часто не достигающих поверхности земли. Радуга видна в стороне небосвода, противоположной Солнцу, и обязательно при Солнце, не закрытом облаками. Такие условия чаще всего создаются при выпадении летних ливневых дождей, называемых в народе  « грибными дождями ». Сколько радуг можно увидеть одновременно?

         Неискушенный наблюдатель видит обычно одну радугу, изредка две. Причем вторая радуга располагается над первой. Вторая радуга более широкая, блеклая, расположение цветов в ней обратное первой радуге: внешняя дуга у нее фиолетовая, а внутренняя красная.

         Большинство людей, наблюдавших радугу много раз, не видят, а точнее не замечают дополнительных дуг в виде нежнейших цветных арок внутри первой и снаружи второй радуг. Эти цветные дуги неправильно названы дополнительными – в действительности они такие же основные, как первая и вторая радуги. Эти дуги не образуют целого полукруга или большой дуги и видны только в самых верхних частях радуги. Именно в этих дугах, а не в основных, сосредоточено наибольшее богатство чистых цветовых тонов.

Радуги можно увидеть около водопадов, фонтанов, на фоне завесы капель, разбрызгиваемых поливальной машиной или полевой поливальной установкой. Можно самому создать завесу капель из ручного пульверизатора и, встав спиной к Солнцу, увидеть радугу, созданную собственными руками. У фонтанов и водопадов случалось видеть, кроме описанных двух основных и трех – четырех дополнительных дуг к каждой основной, еще одну или две радуги вокруг Солнца.

Откуда берется удивительный красочный свет, исходящий от дуг радуги?

Все радуги – это солнечный свет, разложенный на компоненты и перемещенный по небосводу таким образом, что он кажется исходящим от части небосвода, противоположной той, где находится Солнце.

Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в 1637 г. Декарт объяснил радугу на основании законов преломления и отражения солнечного света в каплях выпадающего дождя. В то время еще не была открыта дисперсия – разложение белого света в спектр при преломлении. Поэтому радуга Декарта была белой.

Спустя 30 лет Исаак Ньютон дополнил теорию Декарта, объяснив, как преломляются цветные лучи в каплях дождя.

Несмотря на то, что теория радуги Декарта – Ньютона создана более 300 лет назад, она правильно объясняет основные особенности радуги.

По теории Декарта – Ньютона радуга должна быть всегда одинаковой – «застывшей». Эти ученые правильно объяснили положение радуги на небосводе, размер дуг, расположение цветов в основных радугах любого порядка. В частности, по теории ширине дуг радуг всегда было «положено» быть одной и той же. Однако радуга содержала еще много секретов. Внимательный наблюдатель видел иногда серию красочных дополнительных дуг, которым совсем «не было места» в теории Декарта – Ньютона. Иногда радуга имела яркие насыщенные тона, а порой была совсем блеклой, почти белой. Радуга бывала и широкой и узкой – и все это «не укладывалось» в теорию Декарта – Ньютона. Объяснение всего комплекса радуги, со всеми неразгаданными ее особенностями, было сделано позже, когда была создана всеобщая теория рассеяния световых лучей в атмосфере.

Весь вид радуги – ширина дуг, наличие, расположение и яркость отдельных цветовых тонов, положение дополнительных дуг очень сильно зависят от размеров капель дождя. Приведем основные характеристики внешнего вида радуги для капель разных радиусов.

Радиус капель 0,5 – 1 мм. Наружный край основной радуги яркий, темно-красный, за ним идет светло-красный, и далее чередуются все цвета радуги. Особенно яркими кажутся фиолетовый и зеленый. Дополнительных дуг много, в них чередуются фиолетово-розовые тона с зелеными. Дополнительные дуги непосредственно примыкают к основным радугам.

Радиус капель 0,25 мм. Красный край радуги стал слабее. Остальные цвета видны по-прежнему. Несколько фиолетово-розовых дополнительных дуг сменяются зелеными.

 Радиус капель 0,1 – 0,15 мм. Красного цвета в основной радуге больше нет. Наружный край радуги оранжевый. В остальном радуга хорошо развита. Дополнительные дуги становятся все более желтыми. Между ними и между основной радугой и первой дополнительной появились просветы.

Радиус капель 0,04 – 0,05мм. Радуга стала заметно шире и бледнее. Наружный край ее бледно-желтый. Самым ярким является фиолетовый цвет. Первая дополнительная дуга отделена от основной радуги довольно широким промежутком, цвет ее белесый, чуть зеленоватый и беловато-фиолетовый.

Радиус капель 0,03 мм. Основная радуга еще более широкая с очень слабо окрашенным чуть желтоватым краем, содержит отдельные белые полосы.

Радиус капель 0,025 мм. Радуга стала совсем белой. Она примерно в два раза шире обычной радуги и имеет вид блестящей белой полосы. Внутри нее могут быть дополнительные окрашенные дуги, сначала бледно-голубые или зеленые, затем белесовато-красные.

Таким образом, по виду радуги можно приближенно оценить размеры капель дождя, образовавших эту радугу. В целом, чем крупнее капли дождя, тем радуга получается уже и ярче, особенно характерным для крупных капель является наличие насыщенного красного цвета в основной радуге. Многочисленные дополнительные дуги также имеют яркие тона и непосредственно, без промежутков, примыкают к основным радугам. Чем кали мельче, тем радуга становится более широкой и блеклой с оранжевым или желтым краем.

Вид радуги зависит и от формы капель.

Можно ли видеть целый круг радуги? С поверхности Земли мы можем наблюдать радугу в лучшем случае в виде половины круга, когда Солнце находится на горизонте. С самолета можно наблюдать радугу в виде целого круга. Описание такой круговой радуги было помещено в журнале «Природа». Ее видели пассажиры самолета, летевшего на высоте 1000м.

Бывают ли радуги без полос падения дождя? Оказывается, бывают – в лаборатории. Искусственные радуги создавались в результате преломления света в одной подвешенной капельке дистиллированной воды, воды с сироп или прозрачного масла. Иногда удавалось получать даже пятую и шестую радуги. Эти радуги, как первая и вторая, снова были в стороне, противоположной источнику света.

                                      Туманная радуга.                                                                                                                                                   

В природе встречаются белые радуги. Они появляются при освещении солнечными лучами слабого тумана, состоящего из капелек радиусом 0,025 мм или менее. Их называют туманными радугами. Кроме основной радуги в виде блестящей белой дуги с едва заметным желтоватым краем наблюдаются иногда окрашенные дополнительные дуги: очень слабая голубая или зеленая дуга, а затем белесовато-красная. Аналогичного вида белую радугу можно увидеть, когда луч прожектора, расположенного сзади вас, освещает интенсивную дымку или слабый туман перед вами. Даже уличный фонарь может создать, хотя и очень слабую, белую радугу, видимую на темном фоне ночного неба.

                                            Лунная радуга.                    

Аналогично солнечным могут возникать и лунные радуги. Они более слабые и появляются при полной Луне. Лунные радуги явление более редкое, чем солнечные. Для их возникновения необходимо сочетание двух условий: полная Луна, не закрытая облаками, и выпадение ливневого дождя. Лунные радуги могут наблюдаться в любом месте земного шара, где осуществятся перечисленные два условия.

Дневные, солнечные радуги, даже образованные самыми мелкими каплями дождя или тумана, довольно белесые, светлые, и все же наружный край их хотя бы слабо, но окрашен в оранжевый или желтый цвет. Радуги, образованные лунными лучами, совсем не оправдывают своего названия, так как они не радужные и выглядят как светлые, совершенно белые дуги.

Отсутствие красного цвета у лунных дуг даже при крупных каплях ливневого дождя объясняется низким уровнем освещения ночью, при котором полностью теряется чувствительность глаза к лучам красного цвета. Остальные цветные лучи радуги также теряют в значительной степени свой цветовой тон из-за не окрашенности ночного зрения человека.

Молнии.

Шаровая молния.

Шаровая молния — редкое природное явление, единой физической теории возникновения и протекания которого к настоящему времени не представлено. Существуют около 200 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде. В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами. Но о природе естественной шаровой молнии вопрос остаётся открытым.

Огни Святого Эльма.

        Довольно распространенное явление, вызываемое повышенной напряженностью электрического поля перед грозой, во время грозы и сразу после. Первыми свидетелями этого явления были моряки, наблюдавшие огни святого Эльма на мачтах и других вертикальных заостренных предметах.

Наш рассказ о мире солнечного света не закончен. Мы «побывали» на Земле, в ее атмосфере.

На протяжении всего проекта мы старались показать, какое множество загадок загадывал человеку небесный свод. Большинство из них были обнаружены при наблюдении небесного свода, без каких – либо приборов просто невооруженным глазом. И сколько новых знаний было получено в процессе отгадывания загадок!

Нам хочется пожелать всем: при каждой  возможности пристально наблюдайте за окружающей природой и она загадает вам еще много интересных новых загадок!

Солнечные лучи освещают весь земной шар. Прекрасен мир солнечного света. Он доставляет радость всем живущим на Земле, и наша общая задача – сохранить его красоту для будущих поколений.

Честно признаемся: мы поражены грандиозностью явлений, столь красочных. Конечно, хотелось бы взглянуть на это своими глазами. Кроме того - заснять на видеопленку. Поэтому хочется научиться предугадывать, когда можно наблюдать то или иное явление, а для этого надо уметь объяснять при каких условиях оно может произойти и от каких атмосферных факторов зависит.

Мирозданье постигая,

Все познай, не отбирая:

Что — внутри, во внешнем сыщешь;

Что — вовне, внутри отыщешь.

Так примите ж без оглядки

Мира внятные загадки.

Гёте.

Наш рассказ о мире солнечного света не закончен. Мы «побывали» на Земле, в ее атмосфере.

Работа выполнялась в течение трех месяцев. Работа над проектом может быть продолжена, так как существуют еще  множество интересных световых явлений.

Цель, которую мы ставили перед собой, полностью реализована, задачи выполнены. Наша работа используется как методический материал для проведения элективного курса по физике «В мире солнечных проделок». В результате работы над этим проектом мы приобрели много новых знаний и умений. Мы открыли для себя различные, ранее не известные нам, световые явления.

Литература:

1. Вотяков Е. “Свет и цвет в изобразительном искусстве”.
2. Галеев Б.М. “Светомузыка”.

3. Куценко А.Н. “Необыкновенная физика”.

4. Лентовский А.М. “Технология живописных материалов”.

5. Львовский Марк “Физика и лирика”.

6. Павленко Н.И. “Искусство и физика” (www.Best Referat.ru).

1. Арцыбышев С.А. Физика - М.: Медгиз, 1950.

2. Жданов Л.С. Жданов Г.Л. Физика для средних учебных заведений - М.: Наука, 1981.
3. Ландсберг Г.С. Оптика - М.: Наука, 1976.
4. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. - М.: Наука, 1986.
5. Прохоров А.М. Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1974.
6. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Оптика - М.: Наука, 1980.