Распространение света в неоднородной среде. Миражи

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Многопрофильный лицей №1»

г. Магнитогорск Челябинская область

Миражи

Автор учебного занятия: Ломановская Татьяна Викторовна

Преподаватель физики

МАОУ «МЛ №1»

Программа: Программа основного общего образования по физике к комплекту учебников «Физика, 7-9» автора А.В. Перышкина. Авторы программы Е.М.Гутник, А.В. Перышкин //Программы для общеобразовательных учреждений. Физика. Астрономия. 7-11 кл. / сост. В.А. Коровин, В.А. Орлов. – 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.

Учебник: Перышкин А.В. Физика – 8.: учеб. для общеобразоват. учреждений – М.: Дрофа, 2009.

Примерная программа среднего (полного) общего образования по физике. Профильный уровень ХI класс. Авторы: О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, Н.С. Пурышева, Л.Б. Богаткина (г. Москва)

Учебник: Мякишев Г.Я. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни – М.: Просвещение, 2008.

Магнитогорск, 2017

Аннотация

Данный материал может быть использован как дополнительный материал к уроку: «Преломление света» в 8 классе при изучении темы: «Световые явления», а также будет интересен и в 11 классе при изучении темы: «Геометрическая оптика» на уроках, посвященных полному внутреннему отражению (ПВО), преломлению света.

Можно провести как отдельное обобщающее занятие, посвященное образованию миражей, после изучения всей темы «Световые явления».

Данный материал может быть рассмотрен на спецкурсе (дополнительном занятии) с проведением опыта по получению «верхнего» миража.

Цели: выяснить, что такое миражи; объяснить природу миражей и механизм их возникновения.

Мы никогда не видим истинного положения предметов, находящихся в поле нашего зрения. Все они как бы несколько смещаются. Обычно отклонения невелики и мы их просто не замечаем. Но совсем иное получается, когда лучи света проходят через воздушные слои с разной плотностью. Тогда отдаленные предметы кажутся нам в ином свете – приблизившимися, оторванными от земли, смещенными, исковерканными, т. е. мы становимся зрителями оптического явления – миража.

Чем интересен мираж? Прежде всего потому, что это явление красивое, порою загадочное, а видим мы его не часто. Но есть и другая причина. Оптические приборы традиционного типа основаны на прямолинейном распространении света. А есть и класс оптических приборов, который основан на криволинейном распространении света в среде с меняющимся по определенному закону показателю преломления. Например, волоконно-оптические линии связи, способные одновременно передавать тысячи телевизионных каналов. Они работают по принципу миража в твердом теле.

Сложность же изучения атмосферных явлений в том, что их появления непредсказуемы. Можно лишь ожидать их появления с определенной степенью вероятности.

Воздушные призраки (миражи)

Эпиграф: Как иногда в томительной пустыне

Мы видим образы далеких чуждых стран,

Но то лишь призраки, и снова небо сине,

И вдаль идет усталый караван...

Учитель: Я прочту отрывок из французской сказки «Принцесса Дангобер» и задам вам вопрос, ответ на который будет предметом нашей беседы: «Матросы взобрались на реи, а капитан взял подзорную трубу и увидел замок, висящий на золотых цепях между небом и землей».

Вопрос: «Какое явление природы описано в этом отрывке?»

Это явление – мираж. Слово мираж французского происхождения и имеет два значения: отражение и обманчивое явление (mirage). Подобно сказке, мираж восхищает людей, влечёт к себе и бесследно исчезает, когда к нему пробуют приблизиться.

Мираж представляет собой изображение реально существующего на земле предмета, часто увеличенное и сильно искажённое. Атмосферные миражи делятся на три класса: нижние или озерные; верхние (они возникают прямо в небе) или миражи дальнего видения; боковые миражи; фата-моргана; миражи сверхдальнего видения.

Нижние (или озёрные) миражи

Нижние (или озёрные) миражи возникают над сильно нагретой поверхностью. Наблюдают их в пустынях и знойных степях. Воздух около земли сильно нагрет, и его показатель преломления меньше, чем у лежащего более высоко холодного воздуха. Отражение в этом слое аналогично отражению в воде. Роль зеркала играет сам воздух. В этом случае световой луч вблизи земли изгибается так, что его траектория обращена выпуклостью вниз. Поэтому наблюдатель видит объекты (холмы в пустыне и др.) перевёрнутыми, как бы стоящими на берегу озера. Причём иллюзию блестящей поверхности озера создают участки неба, отражаясь в воздушном зеркале. Такие миражи может заметить любой человек. Они возникают в солнечные летние дни над асфальтовыми дорогами. В жаркий день хорошо видны «лужи воды» впереди, хотя в действительности дорога сухая. Нижний мираж можно увидеть в Средней Азии, Казахстане, Поволжье, Арктике.

Французский ученый Гаспар Монж, принимавший участие в египетском походе Наполеона, описывает свои впечатления от озерного миража так:

"Когда поверхность земли сильно накалена Солнцем и только-только начинает остывать перед началом сумерек, знакомая местность больше не простирается до горизонта, как днем, а переходит, как кажется, примерно в одном лье в сплошное наводнение. Деревни, расположенные дальше, выглядят, словно острова среди погибшего озера. Под каждой деревней ее опрокинутое изображение, только оно не резкое, мелких деталей не видно, как отражение в воде, колеблемое ветром. Если станешь приближаться к деревне, которая кажется окруженной наводнением, берег мнимой воды все удаляется, водный рукав, отделявший нас от деревни, постепенно суживается, пока не исчезнет совсем, а озеро теперь начинается за этой деревней, отражая в себе селения, расположенные дальше".

Природа озерного миража изучена в деталях. Солнечные лучи накаляют почву, от которой нагревается нижний слой воздуха. Он в свою очередь устремляется вверх, тут же заменяясь новым, который нагревается и утекает вверх. Световые лучи всегда искривляются от теплых слоев в сторону более холодных. В физике это явление называется рефракцией (см. рис).

Лучи от светлого неба близ горизонта, направляясь к земле, загибаются над ней кверху и по наклонной доходят до нашего глаза снизу, точно отражаясь от чего-то над самой землей. Видим мы, конечно, кусочек голубого неба, только ниже того места, где оно есть на самом деле. А эффект блеска и переливов вызван неоднородностью потоков теплого воздуха, поднимающегося от горячей поверхности.

Как известно, свет распространяется по прямой лишь в однородной среде. На границе двух сред луч света преломляется, то есть несколько отклоняется от первоначального пути. Такой неоднородной средой является, в частности, воздух земной атмосферы: плотность его возрастает у земной поверхности. Луч света искривляется, и в результате светила выглядят несколько смещенными, "приподнятыми" относительно своих истинных положений на небе. Это явление называется рефракцией (от лат. refractus - "преломленный"). Вследствие рефракции в атмосфере могут появляться мнимые изображения отдельных объектов - миражи.

Верхние миражи

Этот вид миражей по своему происхождению не сложнее "озерных", но разнообразнее. Их принято называть "миражами дальнего видения".

Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлаждённой поверхностью, например, над холодной водой. Они наблюдаются в северных широтах. В случае верхнего миража показатель преломления воздуха выше у поверхности воды и уменьшается с высотой. Световые лучи изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому наблюдатель может видеть объекты, скрытые за горизонтом, причём видеть их вверху, как бы висящими над линией горизонта. Примером верхнего миража может служить ситуация, когда жители города Ломоносова иногда отчётливо видят здания и улицы Санкт-Петербурга. Заметим, что расстояние между этими городами 40 км, так что о прямой видимости речи идти не может. Многие, очевидно, слышали легенду о «летучем голландце». Это был, без сомнения, верхний мираж, т.е. изображение какого-либо обыкновенного парусного судна, которое шло где-то за горизонтом.

Модель «верхнего» миража в лабораторных условиях

Материалы и оборудование: стеклянная кювета, резиновый шланг или система переливания крови, концентрированный раствор поваренной соли, вода, источник света - лазер.

Учитель: Модель «верхнего» миража в лаборатории можно получить следующим образом: наполним прямоугольную прозрачную кювету наполовину обычной водой, а затем через воронку будем осторожно наливать сильно соленую воду, т.е. создать оптически неоднородную среду.

Создание оптически неоднородной среды

Из верхней части пластиковой бутылки с крышкой сделайте большую воронку, герметично вставив в крышку конец резинового шланга. Пальцами пережмите шланг и залейте в воронку концентрированный раствор поваренной соли. Затем погрузите шланг в налитую в кювету воду и направьте его выходное отверстие вдоль стенки кюветы возле её дна. Постепенно ослабляйте зажим шланга. Вначале из отверстия шланга начнут выходить воздушные пузырьки, а потом станет вытекать раствор соли, который будет растекаться по дну кюветы и вытеснять воду вверх. Спешить здесь не нужно: следует всё сделать так, чтобы жидкости не перемешались. Когда нужное количество раствора соли окажется в нижней части кюветы, вновь пережмите шланг и осторожным, но быстрым движением удалите его из жидкостей. Для удобства вместо резинового шланга можно взять систему для переливания крови, снабжённую регулируемым зажимом и соединённую со стеклянной трубкой, как показано на фотографии.

Вследствие диффузии жидкостей через некоторое время образуется переходный слой с плавно изменяющейся от большей (внизу) к меньшей (сверху) плотностью. Направим в кювету луч света горизонтально. Мы видим, что луч в жидкости изгибается книзу – в сторону слоев оптически более плотных, а вне этого слоя распространяется прямолинейно. Наиболее удачно данный опыт получается в темноте.

Распространение света в оптически неоднородной среде

Качественное объяснение явления вполне очевидно. В нижней части кюветы находится раствор поваренной соли, имеющий бóльшую оптическую плотность, чем расположенная над ним вода. Поэтому показатель преломления жидкости в образовавшемся за счёт диффузии переходном слое между раствором соли и водой непрерывно уменьшается в направлении снизу вверх. Поскольку абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в веществе n = c/υ, скорость распространения света в верхних слоях жидкости больше, чем в нижних.

Боковые миражи

Этот вид миражей может возникнуть в тех случаях, когда слои воздуха одинаковой плотности располагаются в атмосфере не горизонтально, как обычно, а наклонно или даже вертикально. Такие условия создаются летом, утром вскоре после восхода Солнца у скалистых берегов моря или озера, когда берег уже освещен Солнцем, а поверхность воды и воздух над ней еще холодные.

Боковые миражи неоднократно наблюдались на Женевском озере. Видели лодку, которая приближалась к берегу, а рядом с нею в точности такая же лодка удалялась от берега. Боковой мираж может появиться у каменной стены дома, нагретой Солнцем, и даже сбоку от нагретой печи.

Голландский астроном и популяризатор науки Марсель Миннарт предлагал такой оптический фокус: "Встаньте у длинной стены (не менее 10 м) на расстоянии вытянутой руки и смотрите на блестящий металлический предмет, который ваш товарищ постепенно приближает к стене у другого конца. Когда предмет окажется на расстоянии нескольких сантиметров от стены, его контуры исказятся, и вы увидите на стене его отражение, как если бы она была зеркальной. В очень жаркий день изображений может быть даже два".

Природа этого миража точно такая же, как у озерного. Конечно, лучи света отражаются не от стены, а от примыкающей к ней более горячей прослойки воздуха.

Фата-Моргана

Фата-Моргана - сложное оптическое явление в атмосфере, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдалённые предметы видны многократно и с разнообразными искажениями. Для этого, самого загадочного вида миражей убедительных объяснений пока не найдено. Но, существует множество теорий.

Если, например, следовать теории Фрайзера-Маха, то для возникновения фата-морган необходимо, чтобы зависимость температуры воздуха от высоты была нелинейной. Сначала температура возрастает с высотой, но с некоторого уровня скорость ее роста уменьшается. Подобный температурный профиль, только с более крутым "переломом", ученые называют воздушной линзой. Существование такого эффекта метеорологами обосновано, но утверждать, что именно он является причиной возникновения фата-морган, рано.

Своё название миражи получили в честь сказочной героини Фаты Морганы или, в переводе с итальянского, феи Морганы. Говорят, что она сводная сестра короля Артура, отвергнутая возлюбленная Ланцелота, поселилась от огорчения на дне моря, в хрустальном дворце, и с тех пор обманывает мореплавателей призрачными видениями.

Фата - моргана представляет собой сложный мираж. Для возникновения такого миража зависимость температуры от высоты должна быть нелинейной, температура сначала возрастает с высотой, но с некоторого уровня скорость ее роста уменьшается. Подобный температурный профиль, только с более крутым переломом где-то по середине, может создать мираж с тройным изображением.

Миражи сложного вида, или фата-моргана, возникают, когда одновременно есть условия для появления нижнего и верхнего миражей, например, над тёплым морем. Сложные миражи имеют вид призрачных дворцов и замков, лугов и садов, при этом вся картина быстро исчезает и сменяется другой.

Модель фата – морганы в лабораторных условиях создать практически невозможно. Однако заставить пучок света достаточно причудливо изменить свою форму все же можно. Для этого внутри большой прямоугольной емкости находится металлический стержень, вдоль которого направлен узкий световой пучок. При холодном стержне, на экране мы видим яркое красное пятно – отражение светового пучка в виде прямой полосы. Нагревая стержень, мы видим, как изменяется ход лучей: сначала полоса просто изгибается, а затем начинает слоиться и дрожать, принимая причудливые формы.

"Летучий голландец"

С давних времен ходит легенда о корабле-призраке - Летучем Голландце. Его капитан был осужден за богохульство вечно носиться по морям и океанам, нигде не бросая якорь. Встреча с этим страшным парусником, по убеждению моряков, предвещала кораблекрушение.

Многие рассказывали, что они своими собственными глазами видели этот корабль. При этом все рассказы были похожи: Летучий Голландец внезапно появлялся перед кораблями, совершенно безмолвный, плыл прямо на них, не отвечая на сигналы, и затем столь же внезапно исчезал в тумане.

Эту старую легенду наверное породили верхние миражи. Моряки видели отражения далеких кораблей, которые в обычных условиях не видны, принимая их каждый раз за мистический парусник.

Природа миражей сверхдальнего видения, к которым относится «Летучий голландец», изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть очень прозрачной, свободной от загрязнений и водяных паров. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Тогда световой луч, попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, оказывается как бы «запертым» внутри него и распространяется в нем как по своеобразному световоду, созданному природой. Впрочем, такое объяснение нельзя считать исчерпывающим. Возможно, что при каких-то условиях в атмосфере образуются своеобразные воздушные линзы, а также возникают миражи от миражей, потому что есть свидетельства, что корабли-призраки были порой гигантских размеров, а как раз линзы и могут обеспечить многократное увеличение изображения.

Выводы:

1. В основе миражей лежит – непрямолинейное распространение света в оптически неоднородной среде.

2. «Летучий голландец» - реальное оптическое явление, мираж сверхдальнего видения.

3. Существует несколько версий возникновения сверхдальних миражей:

- распространение световых лучей внутри атмосферных «световодов»;

- преломление света в атмосфере за счет образования воздушных линз;

- отражение света от ионосферы Земли.

4. Для образования миражей необходимы:

- большое пространство для наблюдения;

- сильное нагревание поверхности Земли (или сильное охлаждение поверхности воды) по сравнению с атмосферным воздухом;

- прозрачность атмосферы (отсутствие загрязнений и водяных паров).

Не нужно верить в призраков и их бояться, а нужно изучать законы природы, стараться постичь ее тайны. Это намного интереснее!

Дополнительная литература (для учащихся):

1.Муранов А.П. Волшебный и грозный мир природы: Кн. Для учащихся.- М.: Просвещение, 1994. – 143 с.

2.Рыженков А.П. Физика. Человек. Окружающая среда: Прил. к учеб. Физики для 8 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2001. – 96 с.

3. Асламазов Л.Г., Варламов А.А. Удивительная физика – М.: Наука,1988.